Využití teoretických a exp. přístupů ke slinování pro získání optimální mikrostruktury a vlastností pokročilých keramických materiálů - Spusta, Tomáš (Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, 2020)
Táto práca sa zaoberá prispôsobením (tailoring) mikroštruktúry vybraných pokročilých keramických materiálov (oxid hlinitý, kubický a tetragonálny oxid zirkoničitý) metódou izostatického lisovania za tepla (post-HIPing) s cieľom pripraviť vzorky s teoretickou hustotou and minimálnou veľkosťou zŕn. Vzhľadom na to, že izostatické lisovanie je vo väčšine prípadov používané ako dokončovacia metóda, pred-slinovanie (príprava vzoriek v štádiu uzavretej pórovitosti) bolo tiež dopodrobna študované. Extenzívny teoretický a experimentálny výskum pred-sintrovania pokročilých keramických materiálov ukázal niekoľko výsledkov. Bolo zistené, že uzatváranie pórov je materiálová charakteristika riadená medzi-povrchovými energiami (uzatváranie pórov nastáva pri 92-96 % t.d. pre skúmané materiály), je nezávislé na technológii prípravy keramického polotovaru a je nezávislé na histórii sintrovacieho procesu. Pre analýzu mikroštruktúry skenovacím elektrónovým mikroskopom a výrazné zvýšenie efektivity mikroštruktúrnej analýzy, bola vyvinutá nízkoteplotná metóda termálneho leptania. Táto metóda umožňuje zviditeľnenie leštenej mikroštruktúry pri leptacej teplote 900 °C a výdrži 1 hodina čiastočne sintrovaných a plne hutných vzoriek bez teplotnej kontaminácie (zvýšenie hustoty a veľkosti zŕn). Pred-sintrované vzorky boli post-HIPované nadizajnovaným kombináciami teploty (1200-1400 °C), aplikovaného tlaku (50 a 200 MPa) a času výdrže (0,5 až 9 hodín) s cieľom štúdia vplyvu týchto post-HIPovacích parametrov na mikroštruktúru vzoriek. Najdôležitejší výsledok experimentov je, že aplikovaný tlak vykazuje iba minimálny vplyv na rast zŕn v priebehu post-HIPovania, pričom výrazne posilňuje zhutňovanie. Sintrovacia teplota a čas výdrže tiež vykazovali zhutňovací potenciál, avšak s negatívnym efektom na veľkosť zŕn počas post-HIPovania rešpektujúc kinetickú rovnicu rastu zŕn – exponenciálny rast pre teplotu a parabolický rast pre čas. Tieto výsledky boli použité pre optimalizáciu post-HIPovacích cyklov pre študované materiály. Výsledné vzorky boli zhutnené nad 99,7 % t.d. a s minimálnym (pod 10 %) nárastom veľkosti zŕn v porovnaní s pred-sintrovanou veľkosťou zŕn. Aplikáciou získaných znalostí bola pripravená transparentná korundová keramika dopovaná erbiom s fotoluminiscenčnými vlastnosťami. Pripravená vzorka s tvrdosťou HV 10 26,9 GPa a so skutočnou inline priepustnosťou RIT 56 % vykazuje najlepšie hodnoty tvrdosti a priepustnosti v doposiaľ publikovaných korundových keramických materiáloch dopovaných prvkami vzácnych zemín.

This thesis is focused on possibility of microstructure tailoring of selected oxide advanced ceramic materials (alumina, cubic and tetragonal zirconia) by post-Hot isostatic pressing (post- HIPing) method in order to produce samples with full density and minimal grain size. Considering that the post-HIPing is in majority of cases the finishing technique, the presintering (preparation of specimens in close porosity stage) was also heavily studied. Extensive theoretic and experimental research of pre-sintering advanced oxide materials resulted in several observations. It was found out, that pore closure is material characteristic governed by interfacial energies (pore closure ranging from 92 to 96% t.d. in dependence on used material), it is independent on green body processing and it is also independent on sintering history. In order to examine the microstructure via scanning electron microscope and to increase the efficiency of the microstructure analysis, the novel low temperature thermal etching method was developed. The low temperature 900 °C for 1 hour allows to thermally reveal microstructure for both partially sintered and fully dense specimens without thermal contamination (increase in the density and grain size) of the examined samples. The pre-sintered samples were post-HIPed at designed combinations of temperature (1200- 1400 °C), applied pressure (50 and 200 MPa) and dwell time (0.5-9 hours) in order to examine influence of these post-HIPing parameters on the microstructure of the samples. The most important observation was minimal influence of the applied pressure on the grain growth during post-HIPing, while it has significant densification capability. The sintering temperature and dwell time also exhibit densification potential, however with negative effect on the grain size inhibition after post-HIPing respecting kinetic grain growth reaction – exponential effect for temperature and parabolic for dwell time. Such observations were accompanied to prepare optimized post-HIPing cycles for observed materials, resulting into the specimens with density above 99.7 % t.d. and with only minimal (below 10 %) increase in the grain size compared to pre-sintered grain size. Obtained knowledge was applied for production of transparent alumina ceramics doped by erbium with photo luminescent properties. Obtained HV 10 hardness (26.9 GPa) and real inline transmittance (RIT 56 %) are the highest values among the rare-earth doped alumina published so far.
Utilization of theoretical and experimental approaches to sintering for tailoring the microstructure and properties of advanced ceramic materials
Keywords: Oxidová keramika; pred-sintrovanie; post-HIPovanie; optimalizácia mikroštruktúry; Oxide ceramics; pre-sintering; post-HIPing; microstructure tailoring