Al2o3 – Zro2 – Ceo2 Kompozitlerinin Spark Plazma Sinterleme (sps)yöntemi İle Üretimi Ve Karakterizasyonu

Abstract

Deneysel çalışmalar kapsamında Al2O3-YSZ-CeO2 kompozitleri SPS tekniği ile üretilmiştir. İlk aşamada hacimce farklı oranlarda (%5, 15 ve 25) YSZ içeriği ile hazırlanan Al2O3 – YSZ kompozitlerine ikinci aşamada ağırlıkça %3 ve %5 CeO2 katılmıştır. CeO2 ilavesinin Al2O3-YSZ-CeO2 kompozitlerinin yapısında oluşturduğu mikroyapısal ve mekanik etkiler incelenerek karakterizasyonu yapılmıştır. Saf Al2O3’e YSZ ilavesi, oluşan kompozitlerin Vickers mikrosertlik ve kırılma tokluğu değerini arttırmıştır. Artan sertlik ve kırılma tokluk değerinin YSZ’nin göstermiş olduğu dönüşüm toklaşması özelliğinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Al2O3-YSZ kompozitlerinin mekanik özelliklerine CeO2’nin etkisi incelendiğinde, CeO2 oranı %3’ten %5’e çıkarıldığında sertlikte azalma gözlenmiştir. Benzer şekilde CeO2 miktarı arttıkça, kırılma tokluğunda azalma gözlenmiştir. Mikroyapı incelemeleri sonucunda kırılma tokluğunda meydana gelen düşüşün seryum alüminat tanelerinde sapmaya uğramadan geçen çatlak ilerleyişinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Hücre kültürü testlerine göre osteoblast hücreleri Al2O3-YSZ ve Al2O3-YSZ-CeO2 numuneleri bulunan kültür ortamında büyümeye devam etmiş, olumlu veya olumsuz herhangi bir etkileşime girmediği görülmüştür.

This study aims to show the effects of 3 and 5 mass% ceria (CeO2) additions on the densification, microstructures, mechanical and biocompatibility properties of 3 mol% yttria-stabilised zirconia (YSZ) toughened alumina. Al2O3 based composites were prepared by spark plasma sintering (SPS) at 1350-1400˚C for 300s under a pressure of 40 MPa. Fully dense composites were obtained. It was observed that the addition of 5 vol% zirconia inhibites the grain growth of alumina and containing 3 and 5 mass% ceria composites leads to the formation of elongated CeAl11O18 grains. The samples were subjected to mechanical tests like Vickers hardness and fracture toughness. Hardness of Al2O3 composites containing 3 mol% yttria-stabilized zirconia had higher value when compared to monolithic Al2O3 and Al3O3-YSZ composites with CeO2. Hardness of Al2O3-YSZ composites decreased from 20.0 GPa to 19.0 GPa when the content of YSZ increased from 15 to 25 vol%. Moreover, fracture toughness of Al2O3-YSZ composites increased from 3.0 MPa•m1/2 to 4.1 MPa•m1/2 with the increasing amount of YSZ from 5 to 25 vol%. Because of the fact that the expansion of the inclusions when the zirconia activate the tetragonal to monoclinic phase transformation, having highest rate of YSZ into Al2O3–YSZ composites with or without CeO2 provides highest fracture toughness values. Cell viability and alkaline phosphates activity in the presence of samples were studied and cell viability/proliferation was not prevented by the presence of samples. The cell culture test (cell viability and alkaline phosphatese tests) showed that Al2O3-YSZ ceramics containing %15 YSZ with 3 and 5 mass% CeO2 showed almost same cell viability and alkaline phosphates activity when compared to control and also better than without CeO2.