The effect of sol-gel synthesis conditions and physico-chemical properties of zirconia based precursors and ceramics

Abstract

В настоящее время диоксид циркония ZrO2 широко используется в различных областях науки и жизни. Так, из тетрагонального ZrO2 изготавливают зубные коронки и имплантаты, из кубического ZrO2 – твердые электролиты для различных электрохимических устройств, а моноклинный ZrO2 традиционно используется в качестве огнеупора и материала для ультрафильтрационных мембран. Известно, что фазовый состав, а, следовательно, и физико-химические свойства керамики на основе ZrO2 напрямую зависят от выбранного метода синтеза прекурсоров. Использование современных жидкофазных методов, например, спрей-пиролиза, гидротермального и золь-гель синтезов приводит к расширению области существования тетрагонального и кубического ZrO2 до температур, близких к комнатным. Благодаря широким возможностям в варьировании условий изготовления прекурсоров ZrO2 золь-гель синтез привлекает все большее внимание исследователей. Однако если влияние на физико-химические свойства получаемого ZrO2 концентрации растворов исходных реагентов и температуры синтеза хорошо изучено, то вопрос о влиянии на свойства прекурсоров и керамики концентрации осадителя, природы соли цирконила и условий среды синтеза (например, ионной силы) все еще остается открытым. Недопированный ZrO2 является удобной модельной системой для исследования широкого круга явлений: процессов гидролиза и осаждения в растворах солей цирконила, термоэволюции прекурсоров (изменения фазового состава, размера и морфологии частиц ZrO2), спекания керамики. Поэтому целью данной работы является исследование влияния условий золь-гель синтеза на физико-химические свойства прекурсоров и керамики на основе недопированного и стабилизированного ZrO2. Методами РФА и рамановской спектроскопии было показано, что в прекурсорах недопированного ZrO2 наблюдается последовательность фазовых переходов «аморфная фаза → тетрагональный ZrO2 → моноклинный ZrO2». Варьирование условий золь-гель синтеза (природы соли цирконила, концентрации осадителя и ионной силы раствора) и исследование методами СТА, БЭТ и лазерной седиментографии показало явную полученных прекурсоров зависимость их физико-химических свойств от данных параметров. Наконец, были исследованы физико-химические свойства керамики ZrO2, полученной из прекурсоров методом искрового лазерного спекания.

Today zirconium dioxide ZrO2 is widely used in various fields of science and life. Tetragonal ZrO2 is used as a functional materials for prosthesis and implant productions. Cubic zirconia solid solutions are used as oxygen conductivity solid electrolyte. Monoclinic ZrO2 is typically used as a various refractory materials and ultrafiltration membranes. The possibility of expunction of area existence of cubic and tetragonal solid zirconia solutions is one of the requirements for its application. Recent researches says that the crystal structure and therefore physical and chemical properties of zirconia based ceramics strongly depends on the chosen method of synthesis. The use of novel methods of “bottom up” technology, such as spray pyrolysis, hydrothermal and sol-gel synthesis, leads to essential shift of phase equilibriums, appearance and stabilization of cubic and tetragonal phases at lower temperatures, than on equilibrium phase diagrams. Because of the great variety of synthesis conditions the sol-gel synthesis was chosen as used method of zirconia manufacturing. Zirconia precursors have attracted considerable attention partly because this is a simple model for understanding of the behavior of system, for example, in the hydrolysis processes and phase formation. Thus the purpose of research was the determination of the effect of synthesis conditions on a phase formation and other properties of precursors and ceramics based on the non-doped and stabilized ZrO2. By the XRD and raman spectroscopy it was shown that phase formation in undoped zirconia precursors takes place according to following scheme «amorphous phase → tetragonal ZrO2 → monoclinic ZrO2». High dispersity and other properties allows the appearance of the metastable tetragonal phase in undoped ZrO2 and strongly depends on conditions of sol-gel synthesis of precursors. Finally, the properties of ZrO2 ceramics after spark plasma sintering were investigated.