Керамический материал системы диоксида циркония-оксида алюминия-оксида кремния с пониженной температурой спекания Российский патент 2023 года по МПК C04B35/486 B82Y40/00 

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе системы диоксида циркония-оксида алюминия (ZrO₂-Al₂O₃).

Материалы системы ZrO₂-Al₂O₃, 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 (SiO₂), приводящее к интенсификации спекания за счет изменения механизм спекания. Также для снижения температуры спекания вводят спекающие добавки, позволяющие получать плотные и прочные материалы ZrO₂-Al₂O₃ при более низкой температуре.

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.%: ZrO₂ – 65, Al₂O₃ – 20, SiO₂ – 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 ZrO₂ – 70 масс.%, Al₂O₃ – 20 масс.%, SiO₂ – 10 масс.% составляла 250 МПа, а для состава 75 масс.%, Al₂O₃ – 20 масс.%, SiO₂ – 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.

Пример. Керамический материал получали из нанодисперсных порошков состава 95,8 масс.% ZrO₂ (диоксид циркония содержал 3 мол.% оксида иттрия) 2,5 масс.% Al₂O₃ – 1,0 масс.% SiO₂ химическим методом соосаждения из растворов солей. Удельная поверхность порошков была не менее 30 м²/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 ZrO₂ Al₂O₃ SiO₂ Оксид марганца Температура спекания,
°С Размер кристаллов, нм Прочность
при 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

Изобретение относится к области получения высокопрочной керамики на основе диоксида циркония–оксида алюминия–оксида кремния для получения изделий медицинского назначения. Керамический материал получен из шихты, включающей, мас.%: тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3 мол.%) – 90-97,4, оксид алюминия – 2-9,4, оксид кремния – 0,5-2,0 и добавку оксида марганца – 0,1-1,0. Полученный материал характеризуется мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 50-100 нм при спекании при температуре 1250°С и 50-200 нм при спекании при температуре 1300°С и высокими механическими характеристиками - прочностью при изгибе от 640 МПа до 790 МПа. 1 пр., 1 табл.

Керамический материал на основе системы диоксида циркония-оксида алюминия-оксида кремния, отличающийся тем, что содержит добавку оксида марганца при следующих соотношениях компонентов в материале, мас.%:

диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3 мол.%) 90-97,4 оксид алюминия 2-9,4 оксид кремния 0,5-2,0 добавка оксида марганца 0,1-1,0,

полученный материал характеризуется прочностью при трехточечном изгибе не менее 640 МПа при спекании на 1250°С, не менее 790 МПа при спекании на 1300°С с равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50–100 нм при спекании при температуре 1250°С, 50–200 нм при спекании при температуре 1300°С.