ОСОБЛИВОСТІ ФАЗОВОГО СКЛАДУ ТА МІКРОСТРУКТУРИ КЕРАМІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ СИСТЕМИ ZrO2–TiO2
DOI:
https://doi.org/10.30857/2786-5371.2026.4.8Ключові слова:
фазоутворення, кераміка, мікроструктура, твердофазна взаємодія, термічна обробкаАнотація
Мета. Встановлення особливостей фазоутворення та мікростуктури керамічних композицій системи ZrO2–TiO2 за умов високотемпературного синтезу з урахуванням фазових перетворень вихідних компонентів та їх взаємодії.
Методика. Для одержання експериментальних зразків використовували моноклінний ZrO2 чистотою 99,99 % та TiO2 чистотою 99,65 %. Вихідні компоненти змішували у співвідношеннях, що відповідали стехіометричним складам ZrTiO4 та ZrTi2O6. Після підготовки шихти заготовки формували методом двобічного одновісного пресування під тиском 120 МПа. Термічну обробку здійснювали за температури 1300 °С із швидкістю нагрівання 8 °С/хв, витримкою при максимальній температурі протягом 5 хв та подальшим повільним охолодженням разом із піччю. Мікроструктуру досліджували методом електронної мікроскопії, а фазовий склад визначали за результатами рентгенофазового аналізу.
Результати. Досліджено особливості фазоутворення та мікроструктури матеріалів на основі системи ZrO2–TiO2 складів ZrTiO4 та ZrTi2O6, синтезованих за температури 1300 °С в умовах швидкісного випалу. Встановлено, що зміна співвідношення вихідних компонентів впливає на формування фазового складу матеріалів та сприяє утворенню фаз на основі ZrTiO₄, які частково зберігаються у метастабільному стані після охолодження до кімнатної температури. За результатами рентгенофазового аналізу підтверджено наявність у зразках вихідних оксидів TiO2 і ZrO2, а також фази ZrTiO4 (шриланкіту). Дані електронної мікроскопії засвідчили формування характерної мікроструктури, пов’язаної з перебігом твердофазних взаємодій у системі ZrO2–TiO2.
Наукова новизна. Встановлено особливості фазоутворення композицій ZrO2–TiO2 за умов швидкісного випалу та показано вплив співвідношення вихідних компонентів на формування фазового складу і мікроструктури матеріалів.
Практична значимість. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації складу та технологічних параметрів одержання керамічних матеріалів системи ZrO2–TiO2.
Посилання
Patil S., Chikkatti B. S., Sajjan A. M., Banapurmathet N. R. Development of ZrO2-TiO2 binary nanocomposites for enhanced energy storage in supercapacitors. Discover Electrochemistry. 2025. Vol. 2. Art. 13. DOI: https://doi.org/10.1007/s44373-025-00029-7.
Repnin A., Sotov A., Popovich A., Masaylo D. Development of TiO2/ZrO2 Multi-Material Obtained from Ceramic Pastes for Material Extrusion. Micromachines. 2023. Vol. 14, No. 12. Art. 2177. DOI: https://doi.org/10.3390/mi14122177.
Kumari P., Saha R., Saikia G., Bhujel A., Choudhury M. G., Jagdale P., Paul S. Synthesis of Mixed-Phase TiO2–ZrO2 Nanocomposite for Photocatalytic Wastewater Treatment. Toxics. 2023. Vol. 11, No. 3. Art. 234. DOI: https://doi.org/10.3390/toxics11030234.
Kong L., Karatchevtseva I., Wei T., Veliscek-Carolan J. Synthesis of Mesoporous Tetragonal ZrO2, TiO2 and Solid Solutions and Effect of Colloidal Silica on Porosity. Molecules. 2024. Vol. 29, No. 14. Art. 3278. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules29143278.
Troitzsch U. TiO2-Doped Zirconia: Crystal Structure, Monoclinic-Tetragonal Phase Transition, and the New Tetragonal Compound Zr3TiO8. Journal of the American Ceramic Society. 2006. Vol. 89, No. 10. Р. 3201–3210. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.01200.x.
Zhang X., Wu X., Shi J. Additive manufacturing of zirconia ceramics: a state-of-the-art review. Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. Р. 9029–9048. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.05.131.
Zhu H., Chiang C.-C., Craciun V., Deane G., Ren F., Esquivel-Upshaw J. Yttrium Ion Release and Phase Transformation in Yttria-Stabilized Zirconia Under Acidic Conditions: Implications for Dental Implant Durability. Materials. 2025. Vol. 18. Art. 3311. DOI: https://doi.org/10.3390/ma18143311.
Demirci S., Sunol A. K., Sahiner N. Catalytic activity of amine functionalized titanium dioxide nanoparticles in methanolysis of sodium borohydride for hydrogen generation. Applied Catalysis B: Environmental. 2020. Vol. 261. Art. 118242. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.118242.
Eddy D. R., Permana M. D., Sakti L. K., Sheha G. A., Solihudin N., Hidayat S., Takei T., Kumada N., Rahayu I. Heterophase Polymorph of TiO2 (Anatase, Rutile, Brookite, TiO2 (B)) for Efficient Photocatalyst: Fabrication and Activity. Nanomaterials. 2023. Vol. 13, No. 4. Art. 704. DOI: https://doi.org/10.3390/nano13040704.
Moulson A. J., Herbert J. M. Electroceramics: Materials, Properties, Applications. John Wiley & Sons Ltd., New York, 2003. DOI: https://doi.org/10.1002/0470867965.
Biermann H., Martin U., Aneziris C. G., Kolbe A., Müller A., Schärfl W., Herrmann M. Microstructure and compression strength of novel TRIP-steel/Mg-PSZ composites. Advanced Engineering Materials. 2009. Vol. 11, No. 12. Р. 1000–1006. DOI: https://doi.org/10.1002/adem.200900210.
Martin S., Richter S., Decker S., Martin U., Krüger L., Rafaja D. Reinforcing Mechanism of Mg-PSZ Particles in Highly-Alloyed TRIP Steel. Steel Research International. 2011. Vol. 82, No. 9. Р. 1133–1140. DOI: https://doi.org/10.1002/srin.201100099.
Weigelt C., Berek H., Aneziris C. G., Wolf S., Eckner R., Krüger L. Effect of minor titanium additions on the phase composition of TRIP steel/magnesia partially stabilised zirconia composite materials. Ceramics International. 2015. Vol. 41, No. 2. Р. 2328–2335. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.10.040.
Dondi M., Matteucci F., Cruciani G. Zirconium titanate ceramic pigments: Crystal structure, optical spectroscopy and technological properties. Journal of Solid State Chemistry. 2006. Vol. 179, No. 1. Р. 233–246. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jssc.2005.10.032.
Azough F., Freer R., Wang C.-L., Lorimer G. W. The relationship between the microstructure and microwave dielectric properties of zirconium titanate ceramics. Journal of Materials Science. 1996. Vol. 31. Р. 2539–2549. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00687279.
Saenko I., Ilatovskaya M., Savinykh G., Fabrichnaya O. Experimental investigation of phase relations and thermodynamic properties in the ZrO2–TiO2 system. Journal of the American Ceramic Society. 2017. Vol. 101. Р. 386–399. DOI: https://doi.org/10.1111/jace.15176.
Troitzsch U., Ellis J. The ZrO2-TiO2 phase diagram. Journal of Materials Science. 2005. Vol. 40. Р. 4571–4577. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-005-1116-7.
Logvinkov S. M., Borysenko O. M., Shumejko V. M., Shabanova H. M., Korohodska A. M., Kryvobok R. V. Features of the phase formation of materials of the ZrO2 – TiO2 system for microwave dielectric ceramics. Functional Materials. 2026. Vol. 33, No. 2. Р. 211–219. DOI: https://doi.org/10.15407/fm33.02.211.
Logvinkov S. M., Borysenko O. M., Klochko N. P., Shabanova H. М., Shumeiko V. М. Question of the ZrO2 – TiO2 phase diagram. Bulletin of the National Technical University «KhPI». Series: Chemistry, Chemical Technology and Ecology. 2025. No. 2 (14). Р. 33–38. DOI: https://doi.org/10.20998/2079-0821.2025.02.05.
Souza J. V. C., Castro P. J., Nono M. C. A., Mineiro S. L. Sintering temperature influence on microwave dielectric properties of TiO2-ZrO2 ceramics. Materials Science Forum. 2010. Vol. 660–661. Р. 646–651. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.660-661.
