Fracture-Resistant Zirconia-Based Composite Ceramics with Increased Surface Layer Hardness

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A two-layer alumina toughened zirconia composite ceramic stabilized with calcium oxide (Ca-ATZ) was produced using a relatively economical powder metallurgy method. One of the layers contains silica additive (Ca-ATZ + SiO2). The structure, elemental and phase composition as well as the complex of mechanical properties nearby of the Ca-ATZ/Ca-ATZ + SiO2 interface has been investigated. It was shown that the presence of a sharp interface of layers with different elemental composition did not cause structural disorders (appearance of pores, cracks and other macroscopic defects that contribute to the deterioration of strength properties) or changes in the phase composition (more than 90% of zirconia in both layers was in the tetragonal phase, which provided a high role of the transformation toughening mechanism). Demonstrated preservation of structural integrity and ratio of monoclinic, tetragonal and cubic zirconia phases at formation of sharp interface of the mentioned layers, provides possibility of manufacturing of zirconia-based ceramics with thin (100–200 μm) modified layer. Taking into account the difference in mechanical properties of Ca-ATZ and Ca-ATZ + SiO2 ceramics, this provides the basic material (containing SiO2) increased fracture toughness (not less than 12 MPa m1/2), and near surface layer (not containing SiO2) high hardness (not less than 14 GPa).

About the authors

A. A. Dmitrievskiy

Derzhavin Tambov State University

Author for correspondence.
Email: aadmitr@yandex.ru
392000 Russia, Tambov

D. G. Zhigacheva

Derzhavin Tambov State University

Email: aadmitr@yandex.ru
392000 Russia, Tambov

N. Yu. Efremova

Derzhavin Tambov State University

Email: aadmitr@yandex.ru
392000 Russia, Tambov

V. M. Vasyukov

Derzhavin Tambov State University

Email: aadmitr@yandex.ru
392000 Russia, Tambov

G. V. Grigoriev

Derzhavin Tambov State University

Email: aadmitr@yandex.ru
392000 Russia, Tambov

References

  1. Surface Modification of Biomaterials. Methods Analysis and Applications / Ed. Williams R. Woodhead Publishing, 2011.
  2. Surface Modification by Solid State Processing / Ed. Miranda R. Woodhead Publishing, 2014.
  3. Jain I.P., Agarwal G. // Surf. Sci. Rep. 2011. V. 66. P. 77. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2010.11.001
  4. Egerton R.F // Micron. 2019. V. 119. P. 72. https://doi.org/10.1016/j.micron.2019.01.005
  5. Ushakov I.V. // Proc. SPIE. Nanodesign Technol. Computer Simulations. 2007. V. 6597. P. 659714. https://doi.org/10.1117/12.726773
  6. Ushakov I.V., Feodorov V.A., Permyakova I.J. // Proc. SPIE. Int. Soc. Optical Engineer. 2004. V. 5400. P. 265. https://doi.org/10.1117/12.555529
  7. Tao F., Liu Y., Ren X., Wang J., Zhou Y., Miao Y., Ren F., Wei Sh., Ma J. // J. Energy Chem. 2022. V. 66. P. 397. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.08.022
  8. Alagatu A., Dhapade D., Gajbhiye M., Panjrekar R., Raut A. // Mater. Today: Proc. 2022. V. 60. P. 2245. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.03.338
  9. Koizumi M. // Ceram. Eng. Sci. Proc. 1992. V. 13. P. 333. https://doi.org/10.1002/9780470313954.ch33
  10. Miyamoto Y., Kaisser W., Rabin B.H., Kawasaki A., Ford R.G. Functionally Graded Materials: Design, Processing, and Applications. New York: Springer Science & Business Media, 1999.
  11. Pasha A., Rajaprakash B.M. // Mater. Today: Proc. 2022. V. 52. P. 379. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.09.066
  12. Sun J., Ye D., Zou J., Chen X., Wang Y., Yuan J., Liang H., Qu H., Binner J., Bai J. // J. Mater. Sci. Technol. 2023. V. 138. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.06.039
  13. Sam M., Jojith R., Radhika N. // J. Manuf. Process. 2021. V. 68. P. 1339. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.06.062
  14. Besisa D.H.A., Ewais E.M.M. // Mater. Res. Express. 2019. V. 6. P. 075516. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab177e
  15. Ewais E.M.M., Besisa D.H.A., Zaki Z.I., Kandil A.E.H.T. // J. Eur. Ceram. Soc. 2012. V. 32. P. 1561. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.01.016
  16. Dmitrievskii A.A., Zhigachev A.O., Zhigacheva D.G., Rodaev V.V. // Tech. Phys. 2020. V. 65. № 12. P. 2016. https://doi.org/10.1134/S1063784220120075
  17. Dmitrievskiy A.A., Zhigacheva D.G., Vasyukov V.M., Ovchinnikov P.N. // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 2103. P. 012075. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2103/1/012075
  18. Dmitrievskiy A.A., Zhigacheva D.G., Grigoriev G.V., Ovchinnikov P.N. // J. Surf. Invest. X-Ray. Synchrotron and Neutron Techn. 2021. V. 15. V. 1. P. S137. https://doi.org/10.1134/S1027451022020264
  19. Anstis G.R., Chantikul P., Lawn B.R., Marshall D.B. // J. Am. Ceram. Soc. 1981. V. 64. № 9. P. 533. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1981.tb10320.x
  20. Zhang F., Lin L.F., Wang E.Z. // Ceram. Int. 2015. V. 41. P. 2417. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.06.081
  21. Garvie R.C., Hannink R.H.J., Pascoe R.T. // Nature. 1975. V. 258. P. 703. https://doi.org/10.1038/258703a0
  22. Hannink R.H.J., Kelly P.M., Muddle B.C. // J. Am. Ceram. Soc. 2000. V. 83. № 3. P. 461.https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01221.x

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (2MB)
3.

Download (778KB)

Copyright (c) 2023 А.А. Дмитриевский, Д.Г. Жигачева, Н.Ю. Ефремова, В.М. Васюков, Г.В. Григорьев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».