Processing, microstructure and mechanical properties of ceria-stabilized zirconia-based ceramics co-doped with calcia and alumina

Abstract

In recent years, zirconia ceramics have been used in many applications. Some of them include tool forming due to its high strength and fracture toughness, thermal barrier coatings on turbines engines due to its low thermal conductivity, as an electrolyte in the elaboration of Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) for its high ionic conductivity, and in the manufacture of dental implants for its biocompatibility and its aesthetic appearance. Biomedical zirconia is mainly tetragonal zirconia doped with 3 mol% of yttria (3Y-TZP). However, it is sensitive to the hydrothermal degradation phenomenon. This is the reason for investigating the processing and mechanical properties of ceria doped zirconia-based ceramics since their high aging resistance is well established. Ce-TZP ceramics present low strength due to their large grain size. Many studies have been devoted to finding a way to reduce grain size. Several methods have been proposed, such as the addition of a stabilizer, or a second phase, the improvement of powder processing, or the modification of the sintering conditions. Following the above ideas, this thesis aims to reduce the grain size in 10Ce-TZP ceramics (10 mol% CeO2), with the aim to increase the strength by three different strategies. The first strategy has been manufacturing composites with alumina (a-Al2O3) addition by colloidal processing. The second strategy has been to use calcium oxide (CaO) as a co-stabilizer and adding alumina (a-Al2O3) as a second phase. The third strategy was directed to improve processing by combining ball milling, slip casting, and subsequent powder grinding. In all these studies microstructural characterization, and mechanical has been performed. The hydrothermal degradation test was also measured to evaluate the resistance of the elaborated composites to aging. The results obtained in the two first strategies showed a reduction in the grain size, which led to an increase in hardness and strength. However, in the third strategy, the grain size was not reduced as much as in the previous strategies, which allowed to obtain a moderate fracture toughness and a slight increase in hardness and strength compared to the 10Ce-TZP base material. A high hydrothermal degradation resistance was achieved for all the elaborated composites in all the strategies.

En los últimos años, las cerámicas de circona se han utilizado en muchas aplicaciones. Algunos de ellos incluyen el conformado de herramientas por su alta resistencia y tenacidad a la fractura, recubrimientos de barrera térmica en motores de turbinas por su baja conductividad térmica, como electrolito en la elaboración de Pilas de Combustible de Óxido Sólido (SOFC) por su alta conductividad iónica, y en la fabricación de implantes dentales por su biocompatibilidad y su apariencia estética. La circona biomédica es principalmente circona tetragonal dopada con un 3% molar de itria (3Y-TZP). Sin embargo, es sensible al fenómeno de degradación hidrotérmica. Esta es la razón para investigar el procesamiento y las propiedades mecánicas de la circona dopada con ceria, debido a su alta resistencia al envejecimiento. Sin embargo, la circona dopada con ceria presenta baja resistencia mecánica debido a su gran tamaño de grano. Se han dedicado muchos estudios a encontrar una forma de reducir el tamaño de grano. Se han propuesto varios métodos, como la adición de un estabilizador, o una segunda fase, la mejora del procesamiento del polvo o la modificación de las condiciones de sinterización. Siguiendo las ideas anteriores, esta tesis tiene como objetivo reducir el tamaño de grano en cerámicas 10Ce-TZP (10% mol de CeO2), con el objetivo de aumentar la resistencia mediante tres estrategias diferentes. La primera estrategia ha sido la fabricación de compuestos con adición de alúmina (a-Al2O3) mediante procesamiento coloidal. La segunda estrategia ha sido utilizar óxido de calcio (CaO) como co estabilizador y añadir alúmina (a-Al2O3) como segunda fase. La tercera estrategia dirigida a mejorar el procesamiento mediante la combinación de molienda de bolas, moldeo por barbotina y posterior molienda de polvo. En todos estos estudios se ha realizado una caracterización microestructural, y mecánica. También se ha medido la degradación hidrotérmica para evaluar la resistencia de los compuestos elaborados al envejecimiento. Los resultados obtenidos en las dos primeras estrategias mostraron una reducción del tamaño de grano, lo que condujo a un aumento de la dureza y la resistencia. Sin embargo, en la tercera estrategia, el tamaño de grano no se redujo tanto como en las estrategias anteriores, lo que permitió obtener una tenacidad a la fractura moderada y un ligero aumento de dureza y resistencia en comparación con el material base 10Ce-TZP. Se logró una alta resistencia a la degradación hidrotérmica para todos los compuestos elaborados en todas las estrategias.