Исследование процессов уплотнения и ползучести при спекании керамики из оксида алюминия

Неравномерное уплотнение прессовок, коробление образцов, их деформация во время спекания влияют на конечную усадку образцов, что может приводить к неверной интерпретации результатов спекания. Цель работы — исследование уплотнения и ползучести при спекании керамики из субмикронного оксида алюминия α-Al₂O₃ в смеси с 0,25 % масс. MgO. Для оценки роста анизотропии усадки образцов при увеличении приложенной во время спекания нагрузки использовали методы дилатометрии. Показано, что при небольших нагрузках (меньше напряжения спекания) уплотнение образцов не зависит от приложенной нагрузки. Ползучесть возрастает с повышением приложенной нагрузки, уменьшением начальной плотности прессовки и увеличением времени выдержки при постоянной температуре. Анализируя дилатометрические данные по усадке образцов оксида алюминия, можно разделить вклады уплотнения и ползучести и проследить влияние начальной плотности прессовок и параметров спекания. У исследованных образцов не фиксировали рост зерен при плотностях менее 90 % от теоретической. Выявленное экспоненциальное падение средней скорости ползучести с увеличением плотности может быть связано с сильной зависимостью диффузионной ползучести от размера зерна. Схожесть в поведении скоростей уплотнения и ползучести при изменении плотности образцов показывает, что данные процессы протекают под действием одинаковых механизмов переноса массы. Установлено, что отношение скорости уплотнения к скорости ползучести пропорционально напряжению спекания и слабо зависит от температуры. Чем выше плотность образца, тем больше отношение скоростей уплотнения и ползучести. Полученные результаты могут быть использованы при совершенствовании методики спекания и оценки уплотнения керамики во время режимов с постоянной скоростью нагрева и выдержками при заданной температуре.

1. Elasser C., Elasser T. Codoping and grain-boundary cosegregation of substitutional cations in α-Al2O3: a density-functional-theory study / J. Am. Ceram. Soc. 2005. Vol. 88. No. 1. P. 1 – 14. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2004.00056.x

2. Rahaman M. N. Ceramic processing and sintering. — Marcel Dekker, 2003. DOI: 10.1201/9781315274126

3. Sarin V., Mari D., Llanes L., Nebel C. Comprehensive hard materials. Ceramics. Vol. 2. — Elsevier, 2014.

4. Krell A., Klaffke D. Effect of grain size and humidity on fretting wear in fine-grained alumina, Al2O3/TiC, and zirconia / J. Am. Ceram. Soc. 1996. Vol. 79. No. 5. P. 1139 – 1146. DOI: 10.1002/chin.199640002

5. Garshin A. P., Gropianov V. M., Zaitsev G. P., Semenov S. S. Ceramics for mechanical engineering. — Moscow: Nauchtekhlitizdat, 2003 [in Russian].

6. Krell A., Blank P. The influence of shaping method on the grain size dependence of strength in dense submicrometre alumina / J. Eur. Ceram. Soc. 1996. Vol. 16. P. 1189 – 1200. DOI: 10.1016/0955-2219(96)00044-1

7. Krell A. Improved hardness and hierarchic influences on wear in submicron sintered alumina / Mater. Sci. Eng. A. 1996. A209. P. 156 – 163. DOI: 10.1016/0921-5093(95)10155-1

8. Chen F., Liu F., Zhang T., et al. Selective separation and recovery aluminum oxide from secondary aluminum dross by ammonium sulfate roasting transformation followed by cooling crystallization / Minerals Eng. 2024. Vol. 216. 108866. DOI: 10.1016/j.mineng.2024.108866

9. Schubert J., Friederich P., Burchard B., Zanger F. Development of aluminum oxide slurries for additive manufacturing by Bayesian optimization / Open Ceramics. 2024. Vol. 20. 100705. DOI: 10.1016/j.oceram.2024.100705

10. Shishkin R. A. Oxide-bonded silicon carbide and alumina ceramics obtained from template SCS powders / Ceram. Int. 2025. Vol. 51. No. 8. P. 10340 – 10350. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.12.467

11. Shcherbak G. V., Murashov A. A., Smetanina K. E., et al. Study of the anisotropy of the properties of the ceramic cutting insert obtained by the LCM technology of 3D printing from the composite Al2O3/ZrO2 (ZTA) / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2021. Vol. 87. No. 11. P. 64 – 69 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-11-64-69

12. Kauermann R., Flinn B., Janssen R., et al. Stabilization of porosity in reaction bonded aluminum oxide (RBAO) by coarsening in a reactive atmosphere / Ceram. Int. 2024. Vol. 50. No. 19. Part C. P. 37395 – 37401. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.07.105

13. Maletskii A. V., Volkova G. K., Belichko D. R., et al. Influence of stabilized zirconium dioxide and high hydrostatic pressure on the kinetics of sintering nanopowders of metastable aluminum oxide / Ceram. Int. 2024. Vol. 50. No. 22. Part B. P. 46506 – 46515. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.09.002

14. Lee J.-S., Ji J., Jeong U., Lee B.-J. An atomistic simulation study on ductility of amorphous aluminum oxide / Acta Mater. 2024. Vol. 274. 119985. DOI: 10.1016/j.actamat.2024.119985

15. Ruys A. Alumina ceramics biomedical and clinical applications. — Woodhead Publishing, 2019. DOI: 10.1016/c2017-0-01189-8

16. Omeiri M., Hadidi E., Awad R., et al. Aluminum oxide, cobalt aluminum oxide, and aluminum-doped zinc oxide nanoparticles as an effective antimicrobial agent against pathogens / Heliyon. 2024. Vol. 10. No. 10. e31462. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e31462

17. Nguyen V., Phan H., La T. Facile preparation and characterization of α-aluminum oxide particles by ultrasonic spray pyrolysis / Chem. Eng. Process. — Process Intens. 2025. Vol. 212. 110278. DOI: 10.1016/j.cep.2025.110278

18. Kapustin R. D., Kirillov A. O., Uvarov V. I., Zakorzhevsky V. V. Study of the effect of the morphology of initial powders on the structural and dimensional characteristics of SiC-based porous ceramic materials / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. No. 11. P. 44 – 51 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-11-44-51

19. Borbas B., Adam P., Laszlo N., et al. Effect of binder’s size and chemistry on pure aluminium-oxide vacuum formed ceramic fibre boards / Open Ceramics. 2024. Vol. 17. 100553. DOI: 10.1016/j.oceram.2024.100553

20. Rahaman M. N., De Jonghe L. C., Brook R. J. Effect of shear stress on sintering / J. Am. Ceram. Soc. 1986. Vol. 69. No. 1. P. 53 – 58. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1986.tb04693.x

21. Pozdova T. S., Permin D. A., Nazmutdinov M. D., et al. Effect of precipitation acidity on the structureand morphology of α-Al2O3 powder particles / Inorg. Mater. 2024. Vol. 60. No. 10. P. 1197 – 1204. DOI: 10.1134/s0020168524701590

22. Wang C.-J., Huang C.-Y., Wu Y.-C. Two-step sintering of fine alumina-zirconia ceramics / Ceram. Int. 2009. Vol. 35. No. 4. P. 1467 – 1472. DOI: 10.1016/j.ceramint.2008.08.001