ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РН ОСАЖДЕНИЯ ГИДРОКСИДА ЦИРКОНИЯ НА СВОЙСТВА КЕРАМИКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РН ОСАЖДЕНИЯ ГИДРОКСИДА ЦИРКОНИЯ НА СВОЙСТВА КЕРАМИКИ
Аннотация
При варьировании значений рН осаждения гидратированного оксида циркония в ходе контролируемого двухструйного осаждения были получены порошки диоксида циркония. Показано, что различные значения рН осаждения позволяют получать порошки диоксида циркония с отличающимися физико-химическими свойствами. Исследовано влияние значения рН осаждения гидратированного оксида циркония на свойства удельной поверхности, пористости, рН точки нулевого заряда, дисперсности порошков диоксида циркония. Показана прямая зависимость влияния удельной поверхности и обратная зависимость влияния значений рН точки нулевого заряда синтезированных порошков диоксида циркония на характеристики керамики. Наиболее высокие показатели плотности и прочности имеет керамика, изготовленная на основе диоксида циркония с наибольшей удельной поверхностью и наименьшим значением рН точки нулевого заряда.
1. Введение
Керамические материалы на основе диоксида циркония широко используют во многих сферах техники, промышленности и медицины . На основе диоксида циркония изготавливают зубные и ортопедические импланты ввиду биосовместимости и эстетических свойств, большинство функциональной керамики и режущего инструмента благодаря коррозионной стойкости и термостойкости, высокой прочности . В высокотемпературных электрохимических устройствах в качестве электродов и электролитов применяют благодаря ионной проводимости , . Однако, формование такой керамики методом шликерного литья требует производства мелкодисперсного порошка диоксида циркония с высокой стабильностью к седиментации в шикерной суспензии. При формовании керамики методом холодного прессования необходим порошок диоксида циркония, обладающего целым комплексом свойств, позволяющим достичь однородной упаковки частиц после прессования, а также высокой активностью к спеканию при пониженных температурах для получения керамики с высокой плотностью и прочностью . Важной задачей является не только получение порошков диоксида циркония, обладающих набором различных физико-химических свойств, но и исследование влияния этих свойств на характеристики керамики.
2. Экспериментальная часть
Гидратированные оксиды циркония получали методом контролируемого двухструйного осаждения раствора оксонитрата циркония аммиаком при заданном значении рН от 3 до 8, с шагом в 1 ед, затем проводили промывку от нитрат-ионов с последующей гидротермальной обработкой при 130 °С фильтрацию, сушку и обжиг порошков при 800 °С, образцы обозначены Zr-_ в соответствии со значением рН осаждения. Затем полученные порошки смешали с 5 мас. % Y2O3 и 0,25 мас. % Al2O3, добавили дистиллированной воды и мололи в мельнице с бисерными шарами, далее полученную суспензию сушили при помощи распылительной сушки. Оксидные порошки прессовали при помощи одноосного пресса при комнатной температуре и спекали при температуре 1350 °С в течение 2 часов для получения керамических брусков.
3. Методы и принципы исследования
Значения площади удельной поверхности (по методу БЭТ) и объема пор порошков диоксида циркония определяли при помощи метода низкотемпературной адсорбции/десорбции азота на приборе Quantochrome NOVA 1200Е.
Значения рН точки нулевого заряда (рНТНЗ) диоксида циркония оценивали при помощи построения кривых массового потенциометрического титрования
. С этой целью подготовили водный раствор нитрата калия с концентрацией 0,1 моль/л. В одну часть раствора нитрата калия приливали раствор азотной кислоты до значения рН=2. Во вторую часть раствора нитрата калия приливали водный раствор раствор гидроксида калия до значения рН=9. Далее каждый из растворов поделили на 4 части для приготовления суспензий диоксида циркония с концентрациями по твердому 1–10–20–50 г/л. В итоге получилось 2 линейки суспензий нитрата калия с диоксидом циркония с кислой и щелочной средой, который ставили на 12 часов перемешивания с последующим измерением рН каждой суспензии. Измеренные значения рН в зависимости от концентрации твердого строили на одном графике из кислой и щелочной среды. Построенные кривые массового титрования из кислого и щелочного растворов стремятся к одному значению рН, которое и определяли как значение рН точки нулевого заряда.Гранулометрический состав порошков и суспензий диоксида циркония исследовали методом лазерной дифракции с помощью прибора ANALYSETTE 22 NanoTec plus компании FRITSCH в условиях водной среды при мощности насоса и ультразвука на уровне 7 единиц (по шкале от 0 до 10), соответственно, при использовании схемы прямого пропускания инфракрасного и зеленого лазера (диапазон измерения размера частиц от 0,08 до 2000 мкм).
Содержание модификаций диоксида циркония определяли при помощи дифрактометра XPertPro MPD с твердотельным пиксельным детектором в излучении СuКα с использованием β-фильтра на вторичном пучке.
Плотность керамических брусков после спекания определяли методом гидростатического взвешивания согласно спецификации
.Линейную усадку керамических брусков оценивали по величине изменения максимальных габаритных размеров до и после спекания. Геометрические размеры образцов до и после спекания измеряли при помощи штангенциркуля с точностью 0,05 мм.
Значения предела прочности при трехточечном изгибе определяли посредством испытания на приборе Instron 3382 со скоростью нагружения 2 мм/мин при комнатной температуре по ГОСТ 56805-2015 .
4. Основные результаты и обсуждение
Рисунок 1 - Значения площади удельной поверхности (а) и объема пор (б) порошков диоксида циркония в зависимости от рН осаждения
Рисунок 2 - Значения рНТНЗ порошков диоксида циркония в зависимости от рН осаждения
Рисунок 3 - Зависимость значений среднего массового диаметра частиц от длительности помола
Рисунок 4 - Линейная усадка (а) и относительная плотность (б) керамических заготовок от рН осаждения гидратированного диоксида циркония
5. Заключение
Синтезированные порошки диоксида циркония обладают различными значениями удельной поверхности и объема пор, рН точки нулевого заряда, размеров частиц, морфологией вследствие различных количеств противоинонов и коионов и ионных кластерах формирования гидратированного оксида циркония в процессе осаждения при различных значениях рН. Осаждение при значениях рН от 6 до 8 привело к формированию порошков диоксида циркония с наибольшей удельной поверхностью. Высокоразвитая поверхность и пористость, а также низкое значение рН точки нулевого заряда исходных порошков диоксида циркония позволяют получить высокоплотную и прочную керамику методом холодного одноосного прессования при введении стабилизирующей добавки оксида иттрия на стадии помола. Керамика, сформованная из диоксида циркония, синтезированного осаждением при рН=7, обладает плотностью 97 % от теоретической, пределом прочности при трехточечном изгибе 455 МПа.