Kierownik projektu:
prof. dr hab. inż. Krzysztof Haberko
Koordynator projektu:
prof. dr hab. inż. Mirosław M. Bućko;
Wykonawcy projektu:
mgr inż. Agnieszka Wilk; mgr inż. Kamil Wojteczko; mgr inż. Sebastian Komarek;
projekt w trakcie realizacji
termin rozpoczęcia: 1 March 2018
termin zakończenia: 1 March 2021

Dwutlenku cyrkonu występuje w trzech odmianach polimorficznych. Odmiana trwała w niskich temperaturach charakteryzuje się strukturą o symetrii jednoskośnej. W warunkach podwyższonej temperatury odmiana jednoskośna przechodzi w fazę o symetrii tetragonalnej. W końcu w najwyższych temperaturach pojawia się faza o symetrii regularnej. Najszerzej badana była przemiana fazy tetragonalnej w jednoskośną zachodząca w warunkach obniżanej temperatury. Transformacja ta ma charakter przemiany martenzytycznej i wiąże się z niewielkim (3-5%) przyrostem objętości. Fakt ten ma fundamentalne znaczenie dla uzyskania materiałów o szczególnie dobrych właściwościach mechanicznych. Warunkiem otrzymania takich tworzyw jest zachowanie w gęstym, tj. spieczonym materiale fazy o symetrii tetragonalnej. Jest to możliwe, jeśli rozmiar ziaren spieku nie jest zbyt duży i jeśli do struktury ZrO2 wprowadzimy niewielkie udziały tlenków rozpuszczających się w tej strukturze. Lista tych tlenków jest dość długa. W przypadku tego projektu ograniczymy się do Y2O3 i MgO.

Obszerne badania autorów wniosku wykazały, że nanometryczne proszki takich roztworów stałych można otrzymać poddając amorficzne żele, uzyskane metodą współstrącania, działaniu pary wodnej w autoklawie w temperaturach ok. 250oC. Jeśli ten proces zachodzi w czystej wodzie,otrzymany proszek roztworu stałego ma nanometryczną wielkość cząstek (ok.10 nm). Z uwagi na tak mały rozmiar cząstek proszki takie wykazują niezwykłą aktywność w warunkach spiekania. Z kolei jeśli krystalizacja zachodzi w środowisku, np. NaOH otrzymujemy cząstki znacznie większe i co więcej o kształtach wydłużonych. W proponowanym wniosku taki proszek o takich właściwościach będzie preparowany z czystego (bez dodatków) dwutlenku cyrkonu. W sensie fazowym, charakteryzują się one symetrią jednoskośną. Koncepcja proponowanych badań polega na wprowadzeniu takich wydłużonych cząstek do osnowy nanometrycznych cząstek roztworów stałych Y2O3 i MgO w ZO2. Podczas ogrzewania takiego układu zajdą równocześnie następujące zjawiska: dyfuzja tlenków rozpuszczonych w nanometrycznych cząstkach w kierunku cząstek wydłużonych i zarazem rozrost cząstek przede wszystkim nanometrycznych (gdyż są najmniejsze). Ten ostatni proces będzie „sterowany” symetrią cząstek wydłużonych. Zatem należy się spodziewać, że nowoutworzone ziarna będą ukierunkowane zgodnie z krystalografią cząstek wydłużonych. Zwróćmy uwagę na fakt, iż w toku opisanego procesu cząstki wyjściowo wydłużone będą wzbogacane w Y2O3 i MgO, zaś cząstki wyjściowo nanometryczne będą zubożane w te składniki. Zatem skład całego układu należy dobrać w taki sposób aby w ostatecznej konsekwencji całe tworzywo charakteryzowało się obecnością struktury o symetrii tetragonalnej. Najistotniejszą częścią proponowanych przez nas badań jest ułożenie wspomnianych wydłużonych cząstek wzdłuż jednego kierunku. Sprawi to, że finalne tworzywo charakteryzować się będzie kierunkowymi właściwościami mechanicznymi.

Zaproponowanie przedstawionej powyżej koncepcji pracy stało się możliwe dzięki badaniom zespołu nad krystalizacją dwutlenku cyrkonu w warunkach hydrotermalnych. Według naszej wiedzy efekty te nie były dotychczas wykorzystywane w innych ośrodkach na świecie. Wniosek wiąże się z rozwiązaniem szeregu zagadnień podstawowych a także praktycznych

Publikacje, które powstały w wyniku realizacji projektu

  1. Influence of elongated zirconia particles on microstructure and mechanical properties of yttria stabilized zirconia polycrystals; Kamil Wojteczko, Krzysztof Haberko, Mirosław M. Bućko, Paweł Rutkowski, Marian Rączka; Processing and Application of Ceramics, ISSN 1820-6131. — 2019 vol. 13 iss. 1, s. 51–56.;
    link do publikacji

    Yttria stabilized tetragonal zirconia polycrystals were prepared using mixtures of two different powders. One is composed of nanometric particles of 3.5 mol% Y2O3 solid solution in ZrO2 and the other one of pure zirconia particles. The latter shows elongated particles of about 200 nm length and monoclinic symmetry and the former consists of isometric tetragonal particles of about 7 nm size. Both powders were synthesized under hydrothermal conditions at 240 °C in water (the 3.5 mol% Y2O3 – ZrO2 solid solution) or in 4 M NaOH solution (the pure ZrO2 powder). Two homogenous mixtures of these powders were prepared; the one with 5 wt.% and the other one with 10 wt.% of the elongated zirconia particles. Compacts of 10 mm diameter were isostatically pressed (250 MPa) and sintered in a dilatometer furnace at 1400 °C with no soaking time. A set of samples heated up to the selected temperatures allowed us to follow phase changes of the materials vs. temperature by X-ray diffraction. It was confirmed that all materials show tetragonal symmetry at the final temperature (1400 °C). Density and mean grain size decrease with the elongated zirconia particle additives. The dense samples were polished and their hardness and fracture toughness were determined by Vickers indentation. No hardness changes, due to the elongated zirconia particles additives, were observed, but essential increase of fracture toughness occurred. The observations of the crack runs suggest crack deflection as a potential mechanism of the fracture toughness increase.