Sinterability and stability of TZP ceramics co-stabilized by 12 mol% CeO2 and divalent or trivalent oxides less than 1 mol% were investigated. Divalent and trivalent oxides increased stability of tetragonal ZrO2. 100% tetragonal ZrO2 phase was obtained by doping 12 mol% CeO2 and 0.2 mol% CaO and MgO respectively when sintering was carried out at 1500$^{\circ}C$ for 2 hours. Divalent and trivalent oxides improved sinterability and inhibit grain growth of ZrO2. And it was found that CaO was the most effective sintering aid and grain growth inhibitor for ZrO2 in this study. Incorporation of divalent and trivalent oxides into 12Ce-TZP increased the strength of 12Ce-TZP and particulary 12Ce, 0.4Ca-TZP exhibited a flexural strength of about twofold greater than 12Ce-TZP.
For theinvestigation of MgO addition effect on 12Ce-TZP ceramics, MgO-CeO2-ZrO2 ceramics was fabricated using commercial powders under sintering condition of 130$0^{\circ}C$-1$600^{\circ}C$ for 2hr. Fully tetragonal phase could be obtained by proper heat treatment and MgO addition amount. Minor cubic phase was appeared in relatively high MgO content composition at each sintering temperature. As alloying amount of MgO increased, tetragonal stability increased and grain size decreased. Grain size dependence on MgO content was verified by SEM observation of fractured surface. Surface bloating was observed from the 2 m/o to 6m/o in the temperature range of 150$0^{\circ}C$ to 1$600^{\circ}C$. In spite of very porous microstructure owing to surface bloating, 100% TZP could be maintained in 2.0m/o MgO composition by heat treatment of 150$0^{\circ}C$. This result indicated that MgO was more powerful stabilizer than CeO2. Mechanical proprties of MgO-CeO2-ZrO2 ceramics were consistent with the stability observation of tetragonal phase very well.
The high-temperature strength of Ce-TZP was measured at 200, 650 and 100$0^{\circ}C$ by 4-point bending test. And its fracture behavior was observed by SEM. Below $650^{\circ}C$ of the temperature, where monoclinic fraction was almost zero, the decreasing rate of bending strength was relatively slow, but above this temperature, high temperature strength was largely decreased as a result of the decrease of stress-induced transformation of zirconia. The observation of fracture surface bended at 100$0^{\circ}C$ indicated that the fracture mode changed from intergranular-into transgranular-form with regardless of ceria contents.
The usual ceramic process of mixing and milling in state of oxide of $ZrO_2$ and $CeO_2$ was adopted in wet process to manufacture Ce-TZP in this study. The maximum dispersion point of every slurry manufactured with mixture of $ZrO_2$ and $CeO_2$ was neat at pH10. The stable slurry in average particle size of 90 nm can be manufactured when it is dispersed with use of ammonia water and polycarboxylic acid ammonium. The sintered Ce-TZP ceramics manufactured with addition of $CeO_2$ less than 10 mol% was progressed to the fracture of specimen due to the monoclinic phase existence more than 30% at the room temperature. More than 99% of tetragonal phase was created for the sintered body with addition of $CeO_2$ beyond 18 mol%, but the mechanical property degrade on the entire specimen was brought due to the $CeO_2$ existing above 3%. Consequently, the optimal Ce-TZP combined in oxide state was identified in 16 mol% of $CeO_2$ contents.
Kim, Min-Ju;Lee, Yun-Bok;Kim, Yeong-U;Jeon, Byeong-Se;Park, Hong-Chae
Korean Journal of Materials Research
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v.10
no.10
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pp.677-683
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2000
Three- and five-layer 3Y-YZP/12Ce- TZP composites prepared by a slip casting method have been characterized in terms of mechanical properties. The fracture strength of mutilayer c$\alpha$nposites determined in a diametral compression test was 327~534 MPa. Although the indentation strength of the materials was generally reduced with i increasing Vickers indentation load up to 300 N, the damage resistance of multilayer composites was superior compared to monolithic layer TZP material. The four-point bend strength of the layered material remained at the values of 620~674 MPa after indentation with a load of 49 N, while that of the monolithic TZP material was 129~339 MPa. The microindentation toughness of the multilayer material was $7.7~13.1\;MPa{\cdot}m^{1/2}$.
Ji, Sang-Yong;Ji, Hyung-Bin;Park, Hong-Chae;Yoon, Seog-Young
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.19
no.6
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pp.311-317
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2009
3Y-TZP block doped with $HfO_2$ and $CeO_2$ for dental ceramic block to the proliferation of CAD/CAM systems was prepared by heating at $800{\sim}1100^{\circ}C$ and then sintering at $1450^{\circ}C$. The influences of heating temperature and addition of $HfO_2$ and $CeO_2$ on the mechanical and chemical properties of 3Y-TZP block were investigated. Using the EDS mapping images, $HfO_2$ and $CeO_2$ was well dispersed in the 3Y-TZP matrix. 3 wt% $HfO_2$ doped block showed the optimum biaxial strength (1 GPa), while 3 wt% $CeO_2$ doped block enhanced the stability of $t-ZrO_2$ under hydrothermal atmosphere.
Sintering and microstructure of Ce-TZP/Al2O3 composite with $\alpha$-Al2O3 matrix containing dispersed 5~50 vol% ZrO2 were discussed. Sintered density was increased with elevating forming pressure in range of 6~300 MPa and about >99.2% of theoretical density was obtained at 1$600^{\circ}C$ for 2h in case of 300 MPa of 6~300 MPa uniaxially cold-pressed compacts containing 20 vol% ZrO2. All kinds of different batch composition exhibited nearly the same shrinkage behaviour with end-point shrinkage between 20 and 24%, and had the maximum shrinkage rate (0.41~0.54%/min) around 140$0^{\circ}C$. Grain growth was occurred faster in $\alpha$-Al2O3 than in {{{{ gamma }}-Al2O3 starting matrix during sintering at 1$600^{\circ}C$. Bimodal pore size distribution of interaglomerate pores with size of 0.03~0.2 ${\mu}{\textrm}{m}$ and of interaglomerate pores with size of around 60 ${\mu}{\textrm}{m}$ was obtained in Ce-TZP/$\alpha$-Al2O3 composite sintered at 130$0^{\circ}C$. But unimodal pore size distribution with around 0.1 ${\mu}{\textrm}{m}$ was observed in Ce-TZP/{{{{ gamma }}-Al2O3 composite sintered at the same temperature. Microcracks were occurred due to the tlongrightarrowm transformation of ZrO2 on cooling process.
Role of CaO in the sintering of 12Ce-TZP ceramics was studied. The addition of small amounts of CaO increase the densification rate of 12Ce-TZP by altering lattice defect structure and the diffusion coefficient of the rate controlling species, namely cerium and zirconium cations. CaO also inhibits grain growth during sintering and allows the sintering process to proceed to theoretical density by maintaining a high diffusion flux of vacancies from the pores to the grain boundaries. The inhibition of grain growth is accomplished by the segregation of solute at the grain boundaries, causing a decrease in the grain boundary mobility. The segregation of calcium was revealed by AES study.
The usual ceramic process of mixing and milling in state of oxides $ZrO_2$ and $CeO_2$ was adopted in this study in a wet process to manufacture Ce-TZP. $CeO_2$-$ZrO_2$ ceramics containing 8~20 mol% $CeO_2$ were made by heat treatment at $1250\sim1500^{\circ}C$ for 5hr. The maximum dispersion point of every slurry manufactured with a mixture of $ZrO_2$ and $CeO_2$ was neat at pH10. A stable slurry with average particle size of 90 nm can be manufactured when it is dispersed with the use of ammonia water and polycarboxylic acid ammonium. The sintered Ce-TZP ceramics manufactured with the addition of $CeO_2$ in a concentration of less than 10 mol% progressed to the fracture of the specimen due to the existence of a monoclinic phase of more than 30% at room temperature. More than 99% of the tetragonal phase was created for the sintered body with the addition of $CeO_2$ beyond 18 mol%, but the degradation of the mechanical properties on the entire specimen was brought about due to the $CeO_2$ existing in a percentage above 3%. Consequently, the optimal Ce-TZP level combined in the oxide state was identified to be 16 mol% of $CeO_2$ contents.
The degradation phenomena and thermal stability of 2.5Y-TZP at low-temperature were studied by means of XRD, Raman spectra and microstructural analysis. The degradation of heat-treated 2.5Y-TZP at 20$0^{\circ}C$-20hr in air was observed on the TZP surface, be caused by the cracks generated from tlongrightarrowm transformation, and the cracks was propagated inside the polycrystalline body. The ZrO2 grain boundaries and grains near the crack were revealed as if these were diffused and dissolved. And it was also observed mlongrightarrowt transformation as the degraded TZP was refired at 140$0^{\circ}C$, and it was thought to be the fact that the moisture in atmosphere during the aging process contributed to the degradation. The thermal stability of 2.5Y-TZP was improved dramatically with an addition of 3w/o CeO2 or a provision of high Y2O3 concentration on the TZP surface.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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