Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (May 2021)
Microstructure and mechanical properties of 4YTZP-SiC composites obtained through colloidal processing and Spark Plasma Sintering
Abstract
Bulk composites of silicon carbide reinforced zirconia were obtained through colloidal processing and spark plasma sintering, and their microstructural and mechanical properties were investigated. Mixtures of powders of 4 mol% yttria-doped zirconia and silicon carbide, with percentages of 15 and 20 wt% of silicon carbide, were prepared by colloidal processing and freeze-drying to guarantee the homogeneity of powders, and sintered by SPS at temperatures ranging from 1300 to 1400 °C to obtain dense composites. The spark plasma sintering technique makes it possible to control sintering energy and speed, and impedes the oxidation of silicon carbide to ensure larger reproducibility. The microstructure of the composites reveals that some defects arise during sintering due to the differences of coefficient of thermal expansion between zirconia and silicon carbide. Mechanical properties were studied, such as Vickers hardness, Young's modulus, and bending strength. Compared with 4YTZP monolithic material, composites have better fracture strength values (∼588 MPa and 492 MPa, for 15 wt% and 20 wt% of silicon carbide, respectively) when sintered at 1400 °C. It is also demonstrated that silicon carbide particles act as an absorption centre for propagating cracks. Resumen: En este estudio se investigaron las propiedades microestructurales y mecánicas de los composites de circona reforzados con carburo de silicio (SiC) obtenidos mediante procesamiento coloidal y sinterización por descarga eléctrica (spark plasma sintering [SPS]). Se prepararon mezclas de circona dopada con 4 %mol de itria (4YTZP) y SiC con porcentajes del 15 y 20% en peso mediante procesamiento coloidal y liofilización para garantizar la homogeneidad de los polvos, posteriormente se sinterizaron por SPS a temperaturas de 1300 a 1400 °C para obtener composites densos. La técnica de SPS permite controlar el tiempo y la velocidad de sinterización e impide la oxidación del SiC para garantizar una mayor reproducibilidad. La microestructura de los composites ha revelado algunos defectos durante la sinterización debido a las diferencias de coeficiente de expansión térmica entre la 4YTZP y el SiC. Por otro lado, se estudiaron las propiedades mecánicas como la dureza Vickers, el módulo de Young y la resistencia a la flexión. En comparación con el material monolítico de 4YTZP sinterizado a 1400 °C, los composites presentan mejores valores de resistencia a la fractura (∼ 588 MPa y ∼ 492 MPa, con un 15 y un 20% en peso de SiC, respectivamente). También se ha demostrado que las partículas de SiC actúan como centro de absorción de propagación de grietas.
