This paper investigates the effect of prolonged high temperature exposure on concentric laminated $Al_2O_3-ZrO_2$ composites. An ultrafine scale microstructure with a cellular 7 layer concentric lamination with unidirectional alignment was fabricated by a multi-pass extrusion method. Each laminate in the microstructure was $2-3{\mu}m$ thick. An alternate lamina was composed of 75%$Al_2O_3$-(25%m-$ZrO_2$) and t-$ZrO_2$ ceramics. The composite was sintered at $1500^{\circ}C$ and subjected to $1450^{\circ}C$ temperature for 24 hours to 72 hours. We investigated the effect of long time high temperature exposure on the generation of residual stress and grain growth and their effect on the overall stability of the composites. The residual stress development and its subsequent effect on the microstructure with the edge cracking behavior mechanism were investigated. The residual stress in the concentric laminated microstructure causes extensive micro cracks in the t-$ZrO_2$ layer, despite the very thin laminate thickness. The material properties like Vickers hardness and fracture toughness were measured and evaluated along with the microstructure of the composites with prolonged high temperature exposure.
The sliding wear behavior of the plasma sprayed zirconia containing 8wt% yttria was investigated over a range of room temperature to 800℃. Both of the friction coefficient and the wear loss increased reaching its maximum at about to 499℃. and then decreased again with increasing temperature up to 800℃. The worn surface at elevated temperature were observed and analyzed by scanning electron microscopy and X-ray diffractometer to study the mechanisms of high temperature wear behavior. Surface morphology of the worn samples changes with temperature. Monoclinic (m)/tetragonal (t) x-ray peak intensity ratio of wear debris and worn surface decreased with increasing temperature. Non-transformable tetragonal (t') to metastable tetragonal (t) phase transformation of worn surface increased with increasing temperature. The results indicate that dehumidification and above phase changes are contributing to the high temperature wear behavior of the plasma sprayed ZrO2-Y2O3 coatings.
Nasigels of composition Na0.75Zr2PSi2O12 and Na3Zr2PSi2O12 have been synthesized by the sol-gel technique using metal alkoxide precursors. The monolithic dry gels of Na0.75Zr2PSi2O12 with no crack have been prepared by the control of the shrinkage rte, but gels of Na3Zr2PSi2O12 were impossible to prepare without cracking. The gels treated up to 80$0^{\circ}C$ led to the formtion of glass but the glasses were converted to the crystalline phases at above this temperature. Crystaline phases precipitated from the Na0.75Zr2PSi2O12 glass were NASICON-like phase, Na2Si2O5, and free Zirconia. Phase that precipitated from the Na3Zr2PSi2O12 was only rhombohedral NASICON. For Na0.75Zr2PSi2O12 gels, framework of PO4 tetrahedra and SiO4(PO4) tetrahedra formed at low temperature but changed to that of SiO4 and SiO4(PO4) tetrahedras as it were crystallized. In the case of Na3Zr2PSi2O12 gel, framework of isolated PO4 and SiO4 tetrahedras formed at low temperature but changed to SiO4(PO4) tetrahedra framework which usually formed in the NASICON crystal after crystallization at high temperature. The gels treated up to 80$0^{\circ}C$ contained the residual water. The ionic conduction was attributed to the motion of proton and Na+ ion at low (up to 150~20$0^{\circ}C$) and high temperatures, respectively. As the temperature of heat treatment increased, ionic conductivity gradaully increased with the extent of precipitation of crystalline phase.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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1997.10a
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pp.93-99
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1997
High Temperature wear behavior of plasma sprayed ZrO$_2$ and MoS$_2$, $Fe_2O_3$ coatings were investigated for high temperature wear resistance applications. The MoS$_2$, $Fe_2O_3$ added powders containing 2.5, 5.0, 7.5, 10.0 mol% of $MoS_2$, $Fe_2O_3$ for plasma spray were made by spray drying method. Wear test were performed at temperature ranges from room temperature to 600$\circ$C. The microstructural change of coatings and the worn. surface were examined by SEM and XRD. In ZrO$_2$ coating, the coefficient of friction and wear amount of room temperature to 400$\circ$C was increased with temperature and decreased with temperature over 400$\circ$C. The coefficient of friction and wear amount of MoS$_2$ added coatings were increased with temperature, but those of $Fe_2O_3$ added coatings had lower coefficient of friction and higher wear resistance than ZrO$_2$ coating.
Diopside is a ceramic material with excellent physical and chemical properties. However, when it is applied as an LED packaging material, heat dissipation of the LED element is not sufficient due to its relatively lower thermal conductivity, which may cause degradation of the LED function. In this study, glass-ceramics based on a $ZrO_2-CaO-MgO-SiO_2$ system, in which diopside is the main crystal phase, were prepared by heat-treating the glass, which was composed of zircon ($ZrO_2-SiO_2$) powders and diopside ($CaO-MgO-2SiO_2$) powders. The possibility of using the glass-ceramics as a packaging material for LEDs was then investigated by analyzing the density, shrinkage, thermal conductivity, and phases generated according to the amount of zircon powder added. The density and shrinkage of specimens decreased slightly and then increased again with the amount of $ZrO_2-SiO_2$ added within a range of 0~0.38 mol. Even though the crystal phase of zircon does not appear in the $ZrO_2-CaO-MgO-SiO_2$ system, the glass containing 0.38 mol zircon powder showed the highest thermal conductivity, 1.85 W/mK, among the specimens fabricated in this study: this value was about 23% higher than that of pure diopside. It was found that the thermal conductivity of the glass-ceramics based on a $ZrO_2-CaO-MgO-SiO_2$ system was closely related to the density, but not to the phase type. Zirconia ($ZrO_2$), a component oxide of zircon, plays an important role in increasing the density of the specimen. Furthermore the thermal conductivity of glass-ceramics based on a $ZrO_2-CaO-MgO-SiO_2$ system showed a nearly linear relationship with thermal diffusivity.
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.22
no.2
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pp.73-77
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2012
Co-(0.8 wt%) and Ce-(0.4 wt%) doped cubic zirconia ($ZrO_2$ : $Y_2O_3$ = 80 : 20, 70 : 30, 60 : 40, 50 : 50 wt%) single crystals grown by a skull melting method were heat-treated in $N_2$ at $1000^{\circ}C$ for 5 hrs. The orange, yellowish brown and brown colored as-grown single crystals were changed into either brownish red, yellow and green color after the heat treatment. Before and after the heat treatment, the YSZ (yttria-stabilized zirconia) single crystals were cut for wafer form (${\phi}6.5mm{\times}t2mm$). The optical and structural properties were examined by UV-VIS spectrophotometer and X-ray diffraction. Absorption by $Ce^{3+}(^2F_{5/2,7/2}(4f){\rightarrow}^2T_g(5d^1))$, $Co^{2+}(^4A_2(^4F){\rightarrow}^4T_1(^4F)$ or $^4T_1(^4P))$ and $Co^{3+}$, change of ionization energy and lattice parameter were confirmed.
Tetragonal zirconia polycrystals (TZPs) doped with $Y_{2}O_{3}$ and $Nb_{2}O_{5}$ were prepared by the conventional sintering to enhance fracture toughness and phase stability of TZPs without controlling the grain size. TZP composites were obtained by adding the transformable TZP to the non-transformable TZP in wt%. The monolithic tetragonal $ZrO_2$, same as the composite composition containing 15 wt% transformable TZP, sintered at $1550^{\circ}C$ for 10h in air, exhibited the fracture toughness of 9$MPam^{1/2}$ and no low-and high-temperature degradation at temperatures in the range of 220 to $1000^{\circ}C$ for 100h in air. The corresponding single composition was 90.24 mol% $ZrO_2$-5.31 mol% $Y_{2}O_{3}$-4.75 mol% $Nb_{2}O_{5}$. The microstructure observation revealed that the t-$ZrO_2$ grains grew grandually with sintering time and no microcraking and twinning were observed.
Purpose: The purpose of this study was to evaluate the effects of various zirconia surface treatment methods on shear bond strength with resin cements. Methods: We prepared 120 cylindrical zirconia specimens (⌀10 mm×10 mm) using computer-aided design/computer-aided manufacturing (CAD/CAM). Each specimen was randomly subjected to one of four surface treatment conditions: (1) no treatment (control), (2) airborne-particle abrasion with 50 ㎛ of Al2O3 (A50), (3) airborne-particle abrasion with 125 ㎛ of Al2O3 (A125), and (4) ZrO2 slurry (ZA). Using a polytetrafluoroethylene mold (⌀6 mm×3 mm), we applied three resin cements (Panavia F 2.0, Super-Bond C&B, and Variolink N) to each specimen. The shear bond strength tests were performed in a universal testing machine. The surfaces of representative specimens of each group were evaluated under scanning electron microscope. We used one-way analysis of variance (ANOVA), two-way ANOVA, and post hoc Tukey honest significant difference test to analyze the data. Results: In the surface treatment method, the A50 group showed the highest bond strength, followed by A125, ZA, and control groups; however, no significant difference was observed between A50 and A125, A125 and ZA, and ZA and control (p>0.05). Among the resin cements, Super-Bond C&B showed the highest shear bond strength, followed by Panavia F 2.0 and Variolink N (p<0.05). Conclusion: Within the limitations of this study, application of airborne-particle abrasion and ZrO2 slurry improved the shear bond strength of resin cement on zirconia.
The effects of the addition of either monoclinic $ZrO_2(pure)$ or tetragonal $ZrO_2$ containing 5.35wt% $Y_2O_3(Y-TZP)$ on the mechanical properties and thermal shock resistance of $Al_2O_3$ ceramics were investigated. The addition of $ZrO_2$(m) and Y-TZP increased sintered density of $Al_2O_3$. The Vickers hardness also increased as the volume fraction of Y-TZP increased going through a maximum at 20wt%. The hardness of the specimens was found to be dependent on the sintered density. The higher volume fraction of either $ZrO_2(m)$ or Y-TZP resulted in the higher fracture toughness of the composite was. This result may be taken as evidence that toughening of $Al_2O_3$ can be achieved by not only the transformation toughening but microcrack toughening of $ZrO_2$. The thermal shock property for $Al_2O_3-ZrO_2$ composites was improved by increasing the volume fraction of monoclinic $ZrO_2(pure)$. The grain size increased as the volume fraction of $ZrO_2$ did.
The purpose of this study was to investigate the microstructures and mechanical properties of zirconia toughened alumina (ZTA) ceramics prepared from two kinds of 3Y-TZP powders. ZTA composites were prepared by adding two kinds of 3Y-TZP powders, 3YEH (BET = $7m^2/g$) and 3YEM (BET = $16m^2/g$), to ${\alpha}$-alumina in the range of 5-25 wt%. It was found that the microstructure photographs of the ZTA composites showed that the average grain size of alumina decreased as the content of zirconia increased. In our present study, specimens containing 3YEM zirconia exhibited smaller grain sizes compared to those of 3YEH zirconia. The Vickers hardness of the ZTA composites that were sintered at $1600^{\circ}C$ for 2 hrs was found to smoothly decrease with increasing zirconia content because of the low Young modulus in zirconia. The Vickers hardness of the ZTA containing 3YEH zirconia was greater than that of the 3YEM zirconia. In substance, the fracture toughness ($K_{1c}$) of the ZTA composites increased as the content of zirconia increased. The fracture toughness ($K_{1c}$) of ZTA containing 3YEM zirconia was greater than that of 3YEH zirconia.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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