Зависимость триботехнических характеристик от механических свойств и фазовых превращений композиционной керамики на основе диоксида циркония

Исследовано влияние добавки диоксида кремния (в интервале концентраций С_SiO2 от 0 до 6 мол. %) в циркониевую керамику (стабилизированную в тетрагональной фазе оксидом кальция), упрочненную оксидом алюминия, на ее коэффициент трения и интенсивность износа. Обнаружено, что с повышением концентрации SiO₂ обе характеристики испытывают немонотонные изменения с общей тенденцией к увеличению. Проведен сравнительный анализ зависимостей механических свойств (микротвердости, вязкости разрушения и индекса хрупкости), трансформируемости тетрагональной фазы t-ZrO₂ и интенсивности износа от содержания SiO₂ в исследуемой композиционной керамике. Показано, что немонотонный характер зависимости интенсивности износа от концентрации SiO₂ обусловлен конкурентным влиянием изменений микротвердости, вязкости разрушения и трансформируемости t-ZrO₂, вызванных введением диоксида кремния в керамику. Выдвинуто предложение о целесообразности изготовления кремнийсодержащей керамики (обладающей повышенными значениями вязкости разрушения и предела прочности на сжатие, а также запасом пластичности при комнатных температурах) с приповерхностным слоем, не содержащим SiO₂, сохраняющим предпочтительные значения микротвердости, коэффициента трения и интенсивности износа.

1. Garvie R.C., Hannink R.H.J., and Pascoe R.T. Ceramic Steel? // Nature. — 1975 (258), 703—704. DOI: 10.1038/258703a0

2. Hannink R.H.J., Kelly P.M., Muddle B.C. Transformation Toughening in Zirconia-Containing Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. — 2000 (83), 461—874. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01221.x

3. Ghaemi M.H., Reichert S., Krupa A. et al. Zirconia Ceramics with Additions of Alumina for Advanced Tribological and Biomedical Applications // Ceram. Int. — 2017 (43), 9746—9752. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.04.150

4. Калинина М.В., Ковалько Н.Ю., Суслов Д.Н. и др. Влияние высокопористой биокерамики на основе системы ZrO2–Y2O3–CeO2 на биологические ткани экспериментальных животных // Перспективные материалы. — 2020, № 7, 29—39. DOI: 10.30791/1028-978X-2020-7-29-39

5. Olhero S.M., Torres P.M.C., Mesquita-Guimaraes J. et al. Conventional Versus Additive Manufacturing in the Structural Performance of dense Alumina-Zirconia Ceramics: 20 Years of Research, Challenges and Future Perspectives // J. Manuf. Process. — 2022 (77), 838—879. DOI: 10.1016/j.jma-pro.2022.02.041

6. Chevalier J., Liens A., Reveron H. et al. Forty Years After the Promise of «Ceramic Steel?»: Zirconia-Based Composites with a Metal-Like Mechanical Behavior // J. Am. Ceram. Soc. — 2020 (103), 1482—1513. DOI: 10.1111/jace.16903

7. Калинина М.В., Федоренко Н.Ю., Арсентьев М.Ю., Тихонов П.А., Шилова О.А. Получение керамики ZrO2–3 мол. % Y2O3 с различной степенью тетрагональности и исследование низкотемпературной деградации // Физика и химия стекла. — 2021 (47), № 4, 456—467. DOI: 10.31857/S0132665121040090

8. Turon-Vinas M., Zhang F., Vleugels J., and Anglada M. Effect of Calcia Co-Doping on Ceria-Stabilized Zirconia // J. Eur. Ceram. Soc. — 2018 (38), 2621—2631. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.12.053

9. Дмитриевский А.А., Жигачева Д.Г., Ефремова Н.Ю., Умрихин А.В. Стойкость фазового состава и механических свойств наноструктурированных композиционных керамик на основе CaO-ZrO2 к гидротермальным воздействиям // Российские нанотехнологии. — 2019 (14), № 3-4, 39—45. DOI: 10.21517/1992-7223-2019-3-4-39-45

10. Овчинников П.Н., Ефремова Н.Ю., Жигачева Д.Г. и др. Пластификация циркониевой керамики, упрочненной оксидом алюминия, при добавлении диоксида кремния // Вестник Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». — 2023 (106), № 1, 117—128. DOI: 10.18698/1812-3368-2023-1-117-128

11. Дмитриевский А.А., Жигачев А.О., Жигачева Д.Г., Родаев В.В. Влияние диоксида кремния на стабильность фазового состава и механические свойства керамики на основе диоксида циркония, упрочненной оксидом алюминия // ЖТФ. — 2020 (90), № 12, 2108—2117. DOI: 10.21883/JTF.2020.12.50128.84-20

12. Liao Y.-l., Zhang F.-l., Pan X.-Yi. et al. A Comparative Study on Tribological Behavior of Al2O3, AlN, Si3N4 and ZrO2 Ceramics Sliding Against Polycrystalline Diamond Ball // Wear. — 2023 (530-531), 205067. DOI: 10.1016/j.wear.2023.205067

13. Ghaemi M.H., Reichert S., Krupa A. et al. Zirconia Ceramics with Additions of Alumina for Advanced Tribological and Biomedical Applications // Ceram. Int. — 2017 (43), no. 13, 9746—9752. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.04.150

14. Duntu S.H., Agyapong J., Ahmad I., Islam M., and Boakye-Yiadom S. Combined Effect of Low ZrO2 Content and Carbon Nanostructures on Mechanical and Wear Properties of Hot-Pressed Al2O3/ZrO2 Hybrid Nanocomposites // Ceram. Int. — 2022 (48), 34803—34816. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.08.069

15. Акимов Г.Я., Чайка Э.В., Тимченко В.М., Маринин Г.А., Бурховецкий В.В. Износ керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидами магния и церия, при трении по стали без смазочного материала // Трение и износ. — 2009 (30), № 5, 511—515