Керамический материал системы диоксида циркония-оксида алюминия-оксида кремния с пониженной температурой спекания
CERTAMIC MATERIAL OF ZIRCONIA-ALUMINA-SILICONE OXIDE SYSTEM WITH REDUCED SINTERING TEMPERATURE

2
2
3
Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе системы диоксида циркония-оксида алюминия (ZrO-AlO).
2
2
3
2
2
2
3
Материалы системы ZrO-AlO, нашли использование в качестве материала для режущего инструмента, эндопротезирования. Однако эти материалы спекаются при высоких температурах 1600 – 1750 °С, что приводит к необходимости использования специальных дорогостоящих и энергоёмких методов. Решением данной проблемы является легирование оксидом кремния (SiO), приводящее к интенсификации спекания за счет изменения механизм спекания. Также для снижения температуры спекания вводят спекающие добавки, позволяющие получать плотные и прочные материалы ZrO-AlO при более низкой температуре.
2
2
3
2
2
2
3
2
2
3
2
Наиболее близким по техническому решению является керамический материал [Rahimi S. et al. Effect of SiO2 content on Y-TZP/Al2O3 ceramic-nanocomposite properties as potential dental applications // Ceramics International. Elsevier, 2020. Vol. 46, № 8. P. 10910–10916.] следующего состава, масс.%: ZrO – 65, AlO – 20, SiO– 15. Данный материал спекали при температуре 1600°С. Для такого материала получена прочность при трехточечном изгибе 366 МПа.При других соотношениях компонентов прочность снижалась. Так, после спекания прочность материалов состава ZrO – 70 масс.%, AlO – 20 масс.%, SiO– 10 масс.% составляла 250 МПа, а для состава 75 масс.%, AlO – 20 масс.%, SiO– 5 масс.% - 122 МПа. Недостатком данного материала является высокая температура спекания и низкая прочность.
Технический результат изобретения заключается в создании материала на основе системы диоксида циркония-оксида алюминия-оксида кремния–оксида марганца, спекающегося при низкой температуре 1250-1300°С, и характеризующийся высокими механическими характеристиками: прочностью при трехточечном изгибе не менее 640 МПа при спекании при температуре 1250°С и не менее 790 МПа при спекании при температуре 1300°С.
Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония-оксида алюминия-оксида кремния, содержит добавку оксид марганца, способствующую спеканию при 1250 – 1300 °С при следующих соотношениях компонентов в материале: диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3 мол. %) – 90-97,4,  оксид алюминия – 2-9,4, оксид кремния – 0,5-2,0 и добавка оксида марганца – 0,1-1,0. Полученный материал характеризуется прочностью при трехточечном изгибе не менее 640 МПа при спекании при температуре 1250 ᵒС, не менее 790 МПа при спекании при температуре 1300 ᵒС с равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50 – 100 нм при спекании при температуре 1250 ᵒС, 50 – 200 нм при спекании при температуре 1300 ᵒС.
Керамический материал указанного состава неизвестен.
При спекании добавка оксида марганца образует низкотемпературный расплав за счет взаимодействия с оксидом кремния (температура плавления эвтектики около 1251 °С), что способствует спеканию материала по жидкофазному механизму. В результате спекания становится возможным при низких температурах 1250 – 1300 °С получить материалы с высокими механическими свойствами. При температурах спекания более 1400 °С происходит рост кристаллов, что приводит к снижению прочности. При температурах ниже 1200 °С падение прочности происходит в следствие увеличения пористости. При использовании добавки оксида марганца менее 0,1 масс.% спеченный материал имеет высокую открытую пористость, что является причиной падения механических свойств керамики. Использование добавки оксида марганца более 1 масс.%  приводит к росту кристаллов и, как следствие, к снижению прочности материала. При выходе за указанные пределы содержания оксидов: диоксид циркония 90-97,4 масс.%, оксид алюминия 2-9,4 масс.%, оксид кремния 0,5-2,0 масс.% материалы имеют прочность ниже 640 - 790 МПа при спекании ниже 1300 °С.
2
2
3
2
2
Пример. Керамический материал получали из нанодисперсных порошков состава 95,8 масс.% ZrO (диоксид циркония содержал 3 мол.% оксида иттрия) 2,5 масс.% AlO – 1,0 масс.% SiO химическим методом соосаждения из растворов солей. Удельная поверхность порошков была не менее 30 м/г. Для равномерного распределения добавки оксид марганца вводили через растворимую в воде соль в количестве 0,7 масс.%. Для получения экспериментальных образцов полученный порошок прессовали в виде балочек размером 30×4×4 мм. Полученные образцы спекали в термических печах с силитовыми нагревателями при температуре 1300 °С. В результате спекания получали керамический материал, состоящий из основной тетрагональной фазы диоксида циркония. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 50 – 200 нм, открытой пористостью не более 0,3%, прочностью при изгибе 790 МПа.
Были изготовлены образцы керамики, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.
Образец
Содержание, масс.%
Свойства керамики
ZrO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiO<sub>2</sub>
Оксид марганца
Температура спекания,°С
Размер кристаллов, нм
Прочностьпри изгибе,МПа
1
75,3
18,8
4,7
1,2
1350
200-500
360
2
95,8
2,5
1
0,7
1300
50-200
790
3
95,8
2,5
1
0,7
1250
50-100
645
4 (прототип)
65
20
15
-
1600
3-8 мкм
366
5
94,1
4,9
0,5
0,5
1300
100-300
450
6
95
5
0
0
1500
1-3 мкм
570