Consolidated nanocomposite materials with controlled properties
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0043154Ключові слова:
механохімія, золь-гель, нанопорошки, діоксид цирконію, консолідація, гаряче пресування, міцність, тріщиностійкістьАнотація
Застосування сучасних методів консолідації керамічних матеріалів у поєднанні з підходами органічної та неорганічної хімії, золь-гель технологією та механохімією дозволяє керувати процесами синтезу фаз на молекулярному рівні та створювати високоефективні композитні матеріали. Властивості композитів на основі тугоплавких сполук стають розмірно-залежними при зменшенні розміру частинок до нанорівня. У роботі наведено результати синтезу та консолідації нанокомпозитів на основі SiC, ZrO2–Y2O3 та WC, досліджено мікроструктуру, фазовий склад і механічні характеристики, а також обґрунтовано механізми зміцнення та підвищення тріщино-стійкості. Показано, що введення наночастинок WC у матрицю ZrO2 сприяє формуванню тонкодисперсної структури з високою густиною та підвищенням твердості, міцності на стиск і тріщиностійкості. Отримані результати вказують на можливість застосування таких нанокомпозитів у конструкційних і інструментальних матеріалах для роботи в умовах інтенсивного зношування.
Посилання
1. R. L. Li, C. J. Thrasher, T. Hueckel, and R. J. Macfarlane, “Hierarchically structured nanocomposites via a “systems materials science” approach,” Acc. Mater. Res. 3, 1248 (2022). https://doi.org/10.1021/accountsmr.2c00153
2. Y. Wang, J. Zhang, D. Wang, Z. Wang, H. Wang, and J. Gu, “Synthesis of β-Si3N4 powders via sol-gel process combined with carbothermal reduction and nitridation,” J. Solid State Chem. 342, 125110 (2025). https://doi.org/10.1016/j.jssc.2024.125110
3. Y. Wang, Z. Wang, Z. Zhu, J. Wang, Z. Meng, and D. Wang, “Synthesis of Si3N4 powder with a controllable alpha/beta ratio by sol-gel assisted carbothermal reduction and nitridation,” Ceram. Int. 50, 18B, 34164 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.06.234
4. E. Gevorkyan, M. Rucki, Z. Krzysiak, V. Chishkala, W. Zurowski, W. Kucharczyk, V. Barsamyan, V. Nerubatskyi, T. Mazur, D. Morozow, Z. Siemiątkowski, and J. Caban, “Analysis of the electroconsolidation process of fine-dispersed structures out of hot pressed Al2O3–WC nanopowders,” Materials 14, 6503 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14216503
5. E. Gevorkyan, L. Cepova, M. Rucki, V. Nerubatskyi, D. Morozow, W. Zurowski, V. Barsamyan, and K. Kouril, “Activated sintering of Cr2O3-based composites by hot pressing,” Materials 15, 5960 (2022). https://doi.org/10.3390/ma15175960
6. V. Vavrukh, “Effects of the yttria content and sintering temperature on the phase evolution in yttria-stabilized zirconia,” UJMEMS 8, 12 (2022). https://doi.org/10.23939/ujmems2022.01.012
7. V. O. Chyshkala, S. V. Lytovchenko, V. P. Nerubatskyi, R. V. Vovk, E. S. Gevorkyan, and O. M. Morozova, “Detection of regularities of Y2Zr2O7 pyrochlor phase formation during the reaction of solid-phase synthesis under different temperature-time conditions,” Funct. Mater. 29, 30 (2022). https://doi.org/10.15407/fm29.01.30
8. E. Gevorkyan, V. Nerubatskyi, V. Chyshkala, and O. Morozova, “Revealing specific features of structure formation in composites based on nanopowders of synthesized zirconium dioxide,” East. Eur. J. Enterp. Technol. 5, 12 (113), 6 (2021). https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.242503
9. B. L. Krit, A. V. Apelfeld, A. M. Borisov, N. V. Morozova, A. G. Rakoch, I. V. Suminov, and S. N. Grigoriev, “Plasma electrolytic modification of zirconium and its alloys: Brief review,” Materials 16, 5543 (2023). https://doi.org/10.3390/ma16165543
10. B. Basu and J. Vleugels, and O. Van der Biest, “Toughness tailoring of yttria-doped zirconia ceramics,” Mater. Sci. Eng. A 380, 215 (2004). https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.03.065
11. P. F. Manicone, P. R. Iommetti, and L. Raffaelli, “An overview of zirconia ceramics: Basic properties and clinical applications,” J. Dent. 35, 819 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jdent.2007.07.008
12. S. G. Giniyatova, A. L. Kozlovskiy, R. I. Shakirzyanov, N. O. Volodina, D. I. Shlimas, and D. B. Borgekov, “Structural, dielectric, and mechanical properties of high-content cubic zirconia ceramics obtained via solid-state synthesis,” Appl. Sci. 13, 10989 (2023). https://doi.org/10.3390/app131910989
13. H. Y. Ryu, H. H. Nersisyan, and J. H. Lee, “Preparation of zirconium-based ceramic and composite fine-grained powders,” Int. J. Refract. Hard Met. 30, 133 (2012). https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2011.07.015
14. G. Anné, S. Put, K. Vanmeensel, D. Jiang, J. Vleugels, and O. Van der Biest, “Hard, tough and strong ZrO2–WC composites from nanosized powders,” J. Eur. Ceramic Soc. 25, 55 (2005). https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2004.01.015
15. E. S. Hevorkian, V. P. Nerubaskyi, V. O. Chyshkala, S. V. Lytovchenko, M. M. Prokopiv, W. Samociuk, and V. A. Mechnik, “Technological and innovative features of the electroconsolidation method as a kind of plasma sintering for refractory compounds,” J. Superhard Mater. 46, 364 (2024). https://doi.org/10.3103/S1063457624050046
16. M. A. Habeeb, I. Oreibi, R. S. A. Hamza, D. A. Subar, and K. Al-Ammar, “Effect of WC-nanoparticles’ addition on the structural and dielectric characteristics of a biopolymer, nanosistemi, nanomateriali,” Nanotehnologii 23, 177 (2025). https://doi.org/10.15407/nnn.23.01.0177
17. Y. Xie, J. Qi, M. Zhao, W. Jiang, X. Wen, B. Huang, and J. Zhuang, “Influence of WC addition on the microstructure and properties of AlCoCrFeNiCu high-entropy alloy coatings by plasma cladding,” J. Alloys Compounds 1021, 179640 (2025). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.179640
18. M. S. Koval’chenko, “Hot pressing of powders of refractory compounds and materials based on them,” Powder Metall. Met. Ceram. 37, 37 (1998). https://doi.org/10.1007/BF02677228
19. S. Moustafa, W. Daoush, A. Ibrahim, and E. Neubaur, “Hot forging and hot pressing of AlSi powder compared to conventional powder metallurgy route,” Mater. Sci. Appl. 2, 1127 (2011). https://doi.org/10.4236/msa.2011.28152
20. E. S. Hevorkian, V. P. Nerubatskyi, M. Rucki, A. Kilikevicius, A. G. Mamalis, W. Samociuk, and D. Morozow, “Electroconsolidation method for fabrication of fine-dispersed high-density ceramics,” Nanotechnol. Percept. 20, 100 (2024). https://doi.org/10.56801/nano-ntp.v20i1.363
21. E. S. Gevorkyan, D. S. Sofronov, V. P. Nerubatskyi, V. O. Chyshkala, O. M. Morozova, O. M. Lebedynskyi, and P. V. Mateychenko, “A study on the formation and sintering of powders synthesized from ZrO2 micro- and nanoparticles from fluoride solutions,” J. Superhard Mater. 45, 31 (2023). https://doi.org/10.3103/S1063457623010057
22. E. Z. Lajtai, “A theoretical and experimental evaluation of the griffith theory of brittle fracture,” Tectonophysics 11, 129 (1971). https://doi.org/10.1016/0040-1951(71)90060-6
23. E. S. Hevorkian, M. Rucki, R. V. Vovk, V. P. Nerubatskyi, D. Pieniak, and V. O. Chyshkala, “Comparative qualitative analysis of hot pressing of zirconium dioxide nanopowders,” Funct. Mater. 32, 134 (2025). https://doi.org/10.15407/fm32.01.134
24. A. Montón, F. Maury, G. Chevallier, C. Estournès, M. Ferrato, and D. Grossin, “Densification of surface-modified silicon carbide powder by spark-plasma-sintering,” J. Eur. Ceramic Soc. 41, 7543 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.07.036
25. Y. Chen, C. Yu, X. Cheng, R. Wang, C. Deng, J. Ding, Z. Liu, B. Ma, H. Zhu, J. Hu, and C. Tan, “Advances in sintering technologies for SiC ceramics: Mechanisms, challenges, and industrial applications,” High-Temp. Mater. 2, 10013 (2025). https://doi.org/10.70322/htm.2025.10013
26. S. N. Naik and S. M. Walley, “The Hall–petch and inverse Hall–petch relations and the hardness of nanocrystalline metals,” J. Mater. Sci. 55, 2661 (2020). https://doi.org/10.1007/s10853-019-04160-w
27. V. P. Nerubatskyi, E. S. Hevorkian, R. V. Vovk, Z. Krzysiak, and H. L. Komarova, “The influence of zirconium dioxide nanoadditives on the properties of mullite-corundum,” Low Temp. Phys. 50, 558 (2024) [Fiz. Nyzk. Temp. 50, 621 (2024)]. https://doi.org/10.1063/10.0026282
28. S. Tao, W. He, S. Liang, J. Huang, and S. Ouyang, “Microstructures, properties, and wear mechanism of binderless WC–ZrO2 cemented carbide,” Ceramics Int. 50, 24B, 54586 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.10.317
29. R. Orrù and G. Cao, “Ultra-high temperature ceramics by spark plasma sintering, spark plasma sintering: Current status,” NDC 2, 49 (2019). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817744-0.00002-7
30. I. Mazo, A. Molinari, and V. M. Sglavo, “Effect of pressure on the electrical resistance flash sintering of tungsten carbide,” J. Eur. Ceramic Soc. 42, 2028 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.01.017
