Nanomateriałom inżynierskim, w tym nano-ceramikom, poświęca się coraz więcej badań naukowych, co jest wynikiem posiadania przez nie niezwykłych, często nowych właściwości w porównaniu z materiałami o budowie mikrokrystalicznej. Każda innowacja technologiczna, czy materiałowa pociąga za sobą konieczność gruntownego poznania zjawisk z nią powiązanych i mechanizmów, którym ulega. Dwutlenek cyrkonu (ZrO2) jest znanymi i ważnym materiałem, wykorzystywanym w wielu gałęziach przemysłu głównie ze względu na posiadaną wysoką twardość i temperaturę topnienia. Materiał ten jest związkiem polimorficznym, który występuje w trzech postaciach alotropowych. Odmiana jednoskośna (m-ZrO2) stabilna do temperatury 1170°C następnie przekształca się w odmianę tetragonalną (t-ZrO2), a w temperaturze 2370°C w odmianę regularną (c), która istnieje do temperatury topnienia ZrO2 (2680°C). Szczególnie ważną pod kątem aplikacji odmianą alotropową ZrO2 jest faza tetragonalna, której stabilizacja umożliwia spiekanie ZrO2 w szerokim zakresie temperatury bez występowania przemian fazowych. Zwykle tetragonalną fazę ZrO2 otrzymuje się w wysokiej temperaturze poprzez domieszkę jonów ziem rzadkich, lub poprzez uzyskanie cząstek ZrO2 o rozmiarach poniżej 30 nm.

 

Tytuł projektu: Wpływ wielkości ziaren na zakres temperatury tworzenia faz w układzie równowagi ZrO2-Al2O3

Numer projektu: UMO-2013/11/D/ST8/03429

Narodowe Centrum Nauki, Konkurs Sonata 6

Kwota dofinansowania badań: 707 820 zł

Czas trwania: 2014-2018

Zagraniczny partner naukowy projektu: Ben-Gurion University of the Negev, Beer Sheva, 8410501, Israel

 

Cele projektu

Głównym celem projektu jest opracowanie nowej klasy materiałów: roztworu stałego na bazie dwutlenku cyrkonu (ZrO₂) i trójtlenku glinu (Al₂O₃) w szerokim zakresie kompozycji. Celem projektu jest również sprawdzenie czy wykorzystując metody stosowane w dziedzinie Nanotechnologii możliwe będzie wytworzenie nanoproszków ZrO₂-Al₂O₃, wynikające z niskiej wzajemnej rozpuszczalności poniżej temperatury 1130°C.

Utworzenie roztworu stałego na bazie ZrO₂-Al₂O₃ jest możliwe tylko wtedy, gdy ZrO₂ istnieje w fazie tetragonalnej, dlatego też wskazane jest wytwarzanie materiałów z układu ZrO₂-Al₂O₃ w zakresie temperatury, w której cząstki wciąż posiadają rozmiar nanometryczny. Zastosowanie jonów Al³⁺  jako stabilizatora fazy tetragonalnej jest znacznie mniej kosztowne, niż powszechnie stosowane jony metali ziem rzadkich. Ponadto, Al₂O₃ jest jednym z najtwardszych materiałów na ziemi. W praktyce, układ Al₂O₃-ZrO₂ jest zdecydowanie jednym z najbardziej przydatnych nanokompozytów ceramicznych.

Opanowanie technologii wytwarzania roztworu stałego ZrO₂-Al₂O₃ będzie możliwe wówczas, gdy poznany zostanie zakres ułamków molowych Zr:Al, w których istnieje roztwór stały oraz zależność pomiędzy strukturą krystalograficzną a ułamkiem molowym Zr:Al i wpływ wielkości ziaren na jego stabilność. Dlatego też uzasadnionym jest skonstruowanie trójwymiarowego diagramu fazowego układu ZrO₂-Al₂O₃ z dodatkową zmienną, którą stanowi wielkość ziaren t-ZrO₂.

 

 

Publikacje, które dotychczas się ukazały w ramach projektu Sonata:

• Iwona E. Koltsov, M. Prześniak-Welenc, J. Wojnarowicz, A. Rogowska, J. Mizeracki, M. Malysa, G. Kimmel; Thermal and physical properties of ZrO₂ ̶ AlO(OH) nanopowders synthesised by microwave hydrothermal method, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry Nov, 2017,  10.1007/s10973-017-6780-8
  
  
• Iwona E. Malka, Anna Danelska, Giora Kimmel, The Influence of Al₂O₃ Content on ZrO₂-Al₂O₃ Nanocomposite Formation - The Comparison between Sol-Gel and Microwave Hydrothermal Methods, Materials Today: Proceedings, 10.1016/j.matpr.2016.06.018, 3 (2016) 2713–2724

 

Wystąpienia:

• 2015
  
  
• ANM2015
  6^th International Conference on Advanced Nanomaterials, 20-22 lipca Aveiro, Portugalia
  “The Influence of Al₂O₃ Content on ZrO₂-Al₂O₃ Nanocomposite Formation” (oral presentation), Iwona E. Koltsov
  
  
• PTCer2015
  10^th Conference of The Polish Ceramic Society Zakopane, 17-20 września,
  “Zirconia-alumina nanopowders synthesized via hydrothermal microwave-assisted process and precipitation method” (oral presentation), A. Danelska
  
  
• 2017
  
  
• EuroNanoForum 2017
  Malta, Valletta 21-23. 06.2017
  “Nanostructure and properties of ZrO₂-Al₂O₃ solid solution obtained by microwave hydrothermal method (MHS)” (poster), I.Koltsov, J. Smalc-Koziorowska, M.Małysa, G. Kimel, W. Łojkowski,
  
  
• NanoTechFrance2017
  International Conference and Exhibition Paryż 28-30. 06.2017
  “The effect of Al₂O₃ addition on ZrO₂-Al₂O₃ nanoceramics formation and their properties”  (poster) I. Koltsov, M. Małysa, J. Wojnarowicz, A. Rogowska, G. Kimmel, W. Łojkowski,
  
  
• ChinaNano2017
  29-31 sierpnia w Beijing.
  “Al₂O₃–ZrO₂ nanocomposites derived by microwave hydrothermal synthesis. Properties and applications" (oral presentation), Iwona Koltsov
  
  
• 45 Szkoła Inżynierii Materiałowej,
  Rytro, Polska 26-29.09.2017
  „Struktura spieków otrzymanych z nanoproszków ZrO₂ - Al₂O₃ wytworzonych za pomocą mikrofalowej syntezy hydrotermalnej” (oral presentation), Maria Małysa

 

Kontakt: dr inż. Iwona Koltsov - tel. +48 22 888 0036, formularz kontaktowy