Dampak Penambahan SiO₂ Jejak pada Sintrasi Tahap Awal Nanopulver 3Y-TZP

Abstrak

Dalam studi ini, kami memeriksa bagaimana penambahan jejak 0,2 wt % SiO₂ mempengaruhi sintrasi tahap awal nanopulver 3 mol % yttria-stabilized zirconia (3Y-TZP). SiO₂ dimasukkan melalui co-precipitasi atau campuran mekanis, dan efeknya pada kinetika penguatan dibandingkan. Untuk bubuk co-precipitasi, kehadiran SiO₂ memindahkan mekanisme dominan dari difusi volume (VD) ke difusi batas butir (GBD). Sebaliknya, bubuk yang dicampur mekanis mempertahankan VD sebagai mekanisme yang meluas. Secara keseluruhan, baik rute penambahan maupun aktivasi mekanis mempercepat sintrasi, menekankan peran penting SiO₂ jejak.

Latar Belakang

Zirkonia dipuji karena keawetan retakan yang luar biasa, kekuatan, kekerasan, kompatibilitas biologis, konduktivitas ion, dan resistensi terhadap radiasi dan kimia [1]. Properti luar biasa ini berasal dari kemampuan material untuk mengalami transformasi fase yang dapat diubah [2]. Zirkonia dapat ada dalam fase monoklinik, tetragonal, atau kubik, dan setiap fase dapat distabilkan dengan aditif seperti Y₂O₃, MgO, atau CaO [3]. Tetragonal zirconia yang distabilkan yttria (Y-TZP) telah menjadi sumbu keramik struktural, digunakan dalam media penggiling, konektor serat optik, dan bagian presisi.

Saat bekerja dengan nanopulver zirkonia, regime sintrasi—tekanan, suhu, dan waktu—harus disesuaikan dengan baik untuk mencapai struktur keramik padat atau berpori. Nanopulver memungkinkan sintrasi pada suhu rendah, mempromosikan struktur keramik yang homogen. Parameter kunci yang mengatur sintrasi adalah ukuran dan bentuk partikel, ukuran agregat, komposisi fase, dan "kekerasan" agregat [2]. Agregat lemah, yang melemah oleh gaya van der Waals, dapat hancur oleh pengadukan ultrasonik atau dispersan, sedangkan agregat keras—seringkali hasil dari penganilan berlebihan atau kimia yang tidak tepat—menghambat pemanfaatan keuntungan skala nano. Suhu sintrasi yang tinggi biasanya menghasilkan ukuran butir bimodal dan segregasi fase. Oleh karena itu, mencegah agregasi keras dan mencapai morfologi partikel yang seragam tetap menjadi tujuan utama dalam sintesis nanopulver.

Aditif seperti Al₂O₃, NiO, Cr₂O₃, SiO₂, dan GeO₂ dapat menyesuaikan properti keramik zirkonia [3–7]. Beberapa studi telah memeriksa bagaimana aditif ini mempengaruhi kinetika sintrasi. Secara terkenal, Matsui melaporkan bahwa SiO₂ mempercepat sintrasi dengan mengubah mekanisme difusi dari batas butir ke difusi volume [3,4]. Dalam karya ini, kami menyelidiki bagaimana penambahan SiO₂ yang sangat kecil dan sedikit larut mempengaruhi tahap awal sintrasi keramik 3Y-TZP. Penelitian sebelumnya dengan nanopulver yang dihasilkan DIPE mengungkapkan hasil yang kontradiktif dibandingkan dengan bubuk TZ-3Y komersial Tosoh, perbedaan yang kami atributkan pada efek aktivasi mekanis pada struktur bubuk dan perilaku sintrasi [8].

Metode

Kami menggunakan nanopulver 3Y-TZP (3 mol % Y₂O₃-stabilized tetragonal zirconia) yang disintesis di Donetsk Institute for Physics and Engineering (DIPE) menggunakan metode co-precipitasi berdasarkan klorida. Proses, yang detailnya dalam publikasi kami sebelumnya [9], menyertakan 0,2 wt % SiO₂ dalam dua cara yang berbeda:

Co-precipitasi: menghasilkan bubuk 3Y-TZP-0,2 wt % SiO₂ dan bubuk referensi 3Y-TZP.
Campuran mekanis: mencampur 0,2 wt % SiO₂ dengan 3Y-TZP dan menyusahkan campuran dengan pengilingan planet 4-jam (PMM4) atau 8-jam (PMM8). Untuk perbandingan, bubuk 3Y-TZP juga diikis selama 4-jam (PM4) dan 8-jam (PM8) tanpa silica.

Semua bubuk dianil pada 1000 °C selama 2 jam. Selanjutnya, sampel yang diikis mekanis lebih lanuti diikis dalam gilingan planet. Kompak ditekan pada 300 MPa dan disintesis hingga 1500 °C menggunakan dilatometer NETZSCH DIL 402 PC pada laju pemanasan 2,5, 5, 10, dan 20 °C min⁻¹. Data penyusutan dikalibrasi terhadap Al₂O₃, dengan perpanjangan termal dikoreksi oleh metode kurva pendinginan [7,9]. Kepadatan akhir diukur melalui metode Archimedes.

Karakterisasi bubuk mencakup difraksi sinar-X (XRD) pada difraktometer Dron-3 (radiasi Cu-Kα), dengan fitting puncak melalui Powder Cell 2.4. Ukuran kristal (d_XRD) diekstraksi menggunakan persamaan Debye–Scherrer [10]. Luas permukaan spesifik (S_BET) dan ukuran kristal (d_BET) diukur oleh BET pada perangkat “SORBI-4”. TEM (Jem 200A, JEOL) menyediakan histogram ukuran partikel dari 200–250 gambar. FTIR (Tensor 27, Bruker) dan TG-DTA (Linses 1600, Jerman) memeriksa grup fungsional dan perilaku termal. Faktor agregasi dihitung menurut [2,11,12]. Spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS) pada JSM 6490 LV JEOL memverifikasi komposisi dan pemetaan. SEM (JSM 6490LV) memeriksa mikrostruktur pada permukaan yang dipoles dan retak.

Untuk menganalisis tahap awal sintrasi, kami menggunakan teknik pemanasan laju konstan (CRH) [13–15], yang berlaku hingga 4 % penyusutan relatif. Energi aktivasi (Q) diturunkan menggunakan persamaan Wang-Raj [13]:

\[\mathrm{T}\cdot\mathrm{c}\frac{\mathrm{d}\uprho}{\mathrm{d}\mathrm{T}}=\frac{1}{\mathrm{F}'(\uprho)}\cdot \frac{\mathrm{K}\gamma \Omega \mathrm{D}}{\mathrm{kTa}^{\mathrm{p}}}\cdot \exp\left(-\frac{\mathrm{Q}}{\mathrm{RT}}\right)\]

Dari plot Arrhenius ln[T(dT/dt)(dρ/dT)] vs. 1/T, kemiringan S₁ menghasilkan Q = –RS₁. Parameter mekanisme sintrasi n diekstraksi melalui formulasi Yang dan Cutler [14]:

\[\frac{\mathrm{d}\left(\Delta L/L_0\right)}{\mathrm{d}\mathrm{T}}=\left(\frac{\mathrm{K}\gamma \Omega \mathrm{D}_0\mathrm{R}}{\mathrm{ka}^{\mathrm{p}}\mathrm{cQ}}\right)\cdot \left(\frac{\mathrm{nQ}}{\mathrm{RT}^{2-\mathrm{n}}}\right)\cdot \exp\left(-\frac{\mathrm{nQ}}{\mathrm{RT}}\right)\]

Plot ln[T^{2–n} d(ΔL/L₀)/dT] vs. 1/T menghasilkan nQ = –RS₂. Nilai n 1 menunjukkan alur viskus, ½ difusi volume, dan ⅓ difusi batas butir.

Hasil dan Pembahasan

Tabel 1 merangkum karakteristik bubuk. Spektrum XRD (Gambar 1) menunjukkan bahwa penambahan silica dan pengilingan mekanis memiliki dampak minimal pada ukuran kristal dan komposisi fase. Aktivasi mekanis selama 8 jam sedikit meningkatkan fraksi monoklinik. Pentingnya, silica diserap sebagai larutan padat ketika co-precipitasi; ia tidak muncul sebagai fase terpisah. Parameter jaring menurun sedikit untuk 3Y-TZP-0,2 wt % SiO₂ co-precipitasi, yang konsisten dengan radius ion Si⁴⁺ (0,040 nm) yang lebih kecil dibandingkan Zr⁴⁺ (0,072 nm). Untuk bubuk yang diikis mekanis, kontraksi jaring diatribusikan pada proses pengilingan (Tabel 2).

Dampak Penambahan SiO₂ Jejak pada Sintrasi Tahap Awal Nanopulver 3Y-TZP

Spektrum FTIR (Gambar 2) menunjukkan pita antara 3700–3200 cm⁻¹ dan 1700–1300 cm⁻¹, yang sesuai dengan getaran H₂O dan hidroksil pada permukaan nanopartikel. Pita dari 1200–1000 cm⁻¹ diatribusikan pada Zr=O (OH) dan Si–OH, sementara fitur di bawah 1000 cm⁻¹ berasal dari Zr–O–Zr dan O–Zr–O. Di wilayah streching Zr–O, puncak pada 734, 590, 514, dan 461 cm⁻¹ menunjukkan koeksistensi fase tetragonal dan monoklinik. Munculnya pita 734 cm⁻¹ dalam sistem yang dimodifikasi mencerminkan konten monoklinik yang meningkat dan kepadatan cacat permukaan, yang meningkatkan hierarki energi permukaan (E₀, surf^t < E₀, surf^t,def < E₀, surf^m) [17–18].

Analisis termal (Gambar 3) menunjukkan pita endotermik di sekitar 157 °C (penguapan air fisik) dan pita eksotermik sekitar 423–430 °C (kristalisasi) untuk bubuk yang mengandung silica dan yang bebas silica. Silica memiliki pengaruh yang bisa diabaikan pada dinamika kristalisasi.

Gambar TEM (Gambar 4) menunjukkan bahwa 3Y-TZP (a) menunjukkan agregasi yang tinggi, namun "lemah" yang dapat dipecah dengan pengilingan 4-jam atau 8-jam. Gambar 5 dan 6 mengilustrasikan distribusi ukuran partikel dan faktor agregasi. Pengilingan mekanis meningkatkan S_BET seiring waktu, mencapai maksimum untuk PMM8-3Y-TZP + 0,2 wt % SiO₂. Pengilingan selama 4 jam mengurangi agregasi, tetapi distribusi silica tetap tidak merata. Delapan jam pengilingan memberikan dispersi silica yang seragam, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.

Laju penguatan (dρ/dT) versus suhu (Gambar 7) menunjukkan bahwa 3Y-TZP yang tidak diikis mencapai penguatan puncak pada suhu yang lebih rendah dibandingkan bubuk yang diikis, yang menunjukkan kurva yang bergeser ke suhu yang lebih tinggi. Plot Arrhenius (Gambar 8) dan Tabel 3 mengonfirmasi bahwa 3Y-TZP yang tidak diikis terutama disintesis melalui difusi volume, yang menjelaskan penguatan yang lebih cepat. Aktivasi mekanis (pengilingan 8 jam) mentransisi mekanisme dari volume ke difusi batas butir, sementara penambahan silica memindahkan mekanisme dari GBD (co-precipitasi) ke VD (dicampur) dalam tahap awal sintrasi. Data menunjukkan bahwa hanya 0,2 wt % SiO₂, ketika diperkenalkan melalui co-precipitasi, dapat secara dalam mengubah kinetika dan mekanisme sintrasi.

Kesimpulan

Penyelidikan kami menunjukkan bahwa jumlah jejak SiO₂, mode penambahannya, dan aktivasi mekanis secara menentukan mempengaruhi sintrasi tahap awal nanopulver 3Y-TZP:

Bubuk co-precipitasi menunjukkan pergeseran dari difusi volume ke difusi batas butir ketika 0,2 wt % SiO₂ ditambahkan, menekankan efek kuat aditif bahkan pada konsentrasi rendah.
Untuk bubuk yang dicampur mekanis, mekanisme difusi volume yang meluas bersama dengan penambahan silica dan pengilingan mempercepat penguatan.
Aktivasi mekanis saja dapat mengonversi mekanisme dari volume ke difusi batas butir, dengan pengilingan 8 jam yang cukup untuk mencapai transisi ini.

Singkatan

3Y-TZP:: 3 mol % yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal
CRH:: Laju pemanasan konstan
DIPE:: Donetsk Institute for Physics and Engineering
GBD:: Difusi batas butir
NAS:: National Academy of Sciences
PM4 dan PM8:: Pengilingan bubuk selama 4 dan 8 jam
PMM4 dan PMM8:: Pengadilan dan pengilingan bubuk selama 4 dan 8 jam
S_BET:: Luas permukaan spesifik yang diukur oleh metode Brunauer-Emmett-Teller
TEM:: Mikroskop elektron transmisi
VD:: Difusi volume
Wt %:: Persentase berat
XRD:: Difraksi sinar-X

Titik Karbon Biru Tinggi Efisiensi yang Eksitasi-Independen dengan Fotoluminescensi yang Dapat Disesuaikan Analisis Reflektansi Inframerah Lapisan Epitaksial GaN Doped Si yang Tumbuh pada Substrat Safir

bahan nano