Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Mar 2021)
A first insight into the microstructure and crack propagation in novel boron nitride nanosheet/3YTZP composites
Abstract
In this work, novel 3 mol% yttria tetragonal zirconia polycristalline (3YTZP) ceramic composites with boron nitride nanosheets (BNNS) are investigated for the first time. Highly densified composites with 1 and 4 vol% BNNS were obtained by spark plasma sintering (SPS) after BNNS synthesis using a solution exfoliation method and BNNS dispersion into the ceramic powder by ultrasonication. The BNNS presented homogeneous distribution throughout the ceramic matrix and preferential alignment in the plane perpendicular to the pressing axis during SPS. The BNNS incorporation had practically no effect on the Vickers hardness of the material nor on the Young's modulus. Anisotropy in crack development was found in the composite with 4% vol BNNS, together with a mechanism of extensive microcracking. Several energy-absorbing mechanisms during crack propagation, such as crack deflection, crack bridging, crack branching, BNNS pull-out and BNNS debonding, were identified in the composites by a close observation of the indentation-induced fracture paths. Resumen: En este trabajo, se han investigado por primera vez unos novedosos compuestos cerámicos de circona tetragonal policristalina con 3 mol% de itria con nanoláminas de nitruro de boro. Tras la síntesis de las nanoláminas usando un método de exfoliación en solución y su dispersión en el polvo cerámico mediante la aplicación de ultrasonidos, se han obtenido compuestos altamente densos con 1 y 4% vol de nanoláminas mediante spark plasma sintering. Las nanoláminas presentaron una distribución homogénea en la matriz cerámica y una alineación preferencial en el plano perpendicular al eje de presión durante el spark plasma sintering. Su incorporación en la matriz cerámica no tuvo prácticamente ningún efecto sobre la dureza Vickers del material ni sobre su módulo de Young. En el compuesto con 4 vol% de nanoláminas se observaron tanto anisotropía en el desarrollo de las fisuras como un mecanismo de microfisuración extensiva. Mediante una observación minuciosa de las grietas inducidas por indentación se han identificado diferentes mecanismos de absorción de energía durante la propagación de las fisuras, tales como desviación, puenteo o ramificación de fisuras y arranque o decohesión de nanoláminas.
