Получение керамических композиционных материалов на основе системы ZrO₂-Y₂O₃-SiO₂-TiB₂ методом свободного СВС-сжатия

Настоящая работа посвящена изучению процесса свободного СВС-сжатия керамических композиционных материалов в системе ZrO₂-Y₂O₃-SiO₂-TiB₂. В качестве объекта исследования выбрана исходная порошковая система B₂O₃-Zr-SiO₂-Ti-B-Y₂O₃. Содержание оксида иттрия, выступавшего в качестве стабилизирующей добавки, варьировалось в соотношении (x–1)ZrO₂-xY₂O₃ от 0 до 9 % моль. В работе изучено влияние таких технологических параметров свободного СВС-сжатия, как время задержки между инициированием реакции и приложением давления, скорость деформации, давление прессования на процесс формования выбранных объектов исследования, а также процессы фазо- и структурообразования. Для установления влияния указанных технологических параметров на процесс формования выбранных объектов исследования в работе проводилась оценка их формуемости. Установлено, что характер зависимостей характеристик горения исследованных материалов от содержания стабилизирующей добавки коррелирует с характером кривых зависимостей степени деформации от времени задержки между инициированием реакции и приложением давления и скоростью деформирования. Показано, что на кривой зависимости степени деформации от давления прессования существует предельное значение, выше которого увеличение давления не оказывает влияния на формуемость материалов. Показано, что содержание Y₂O₃ от 0 до 4 % моль в полученных материалах преимущественно наблюдается моноклинная и кубическая модификация ZrO₂. Дальнейшее увеличение содержания Y₂O₃ приводит к формированию тетрагональной модификации оксида циркония в полученных компактных заготовках. Также установлено, что в исследованных материалах после свободного СВС-сжатия наблюдалось образование текстуры в направлении, перпендикулярном направлению приложения давления.

1. Shojaie-bahaabad M, Bozorg M, Najafizadeh M, Cavaliere P. Ultra high temperature ceramic coatings in thermal protection systems (TPS). Ceramics International. 2024;50(7):9937-9951. DOI:10.1016/j.ceramint.2023.12.372

2. Malinina EA, Myshletsov II, Buzanov GA, Kubasov AS, et al. A new approach to the synthesis of nanocrystalline cobalt boride in the course of the thermal decomposition of cobalt complexes [Co(DMF)6]2+ with boron cluster anions. Molecules. 2023;28(1):453. DOI:10.3390/molecules28010453

3. Tang YT, Zhang Y, Wan L, Kuek N, et al. Architected superalloys: a pathway to lightweight high temperature materials. Scripta Materialia. 2025;260:116598. DOI:10.1016/j.scriptamat.2025.116598

4. Taurino R, Martinuzzi S, Padovano E, Caporali S, et al. Laser additive manufacturing of Al2O3 and ZrO2-based eutectic ceramic oxide: an overview. Journal of the European Ceramic Society. 2025;45(5):117133. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2024.117133

5. Sivasankar MV, Chinta ML, Sreenivasa Rao P. Zirconia based composite scaffolds and their application in bone tissue engineering. International Journal of Biological Macromolecules. 2024;265:130558. DOI:10.1016/j.ijbiomac.2024.130558

6. Chitoria AK, Mir A, Shah MA. A review of ZrO2 nanoparticles applications and recent advancements. Ceramics International. 2023;49(20):32343-32358. DOI:10.1016/j.ceramint.2023.06.296

7. Vakhshouri M, Talimian A, Najafzadehkhoee A, Gallardo-López Á, et al. Fabrication of Al2O3-Y3Al5O12-ZrO2 composites by single-step spark plasma sintering. Journal of the European Ceramic Society. 2025; 45(10):117358. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117358

8. Kozerozhets IV, Panasyuk GP, Semenov EA, Voroshilov IL, et al. Mechanism of the conversion of γ-Аl2О3 nanopowder into boehmite under hydrothermal conditions. Inorganic Materials. 2020;56(7):716-722. DOI:10.1134/S0020168520070092

9. Hao S, Su H, Zhao D, Li X, et al. Complex shaped Al2O3/YAG/ZrO2 eutectic ceramics with excellent high temperature mechanical properties printed by vat photopolymerization. Additive Manufacturing. 2025;101: 104703. DOI:10.1016/j.addma.2025.104703

10. Song Q, Zha X, Gao M, Shi J, et al. Influence of ZrO2 on the phase composition and mechano-physical properties of MgO–ZrO2 refractories prepared by cold isostatic pressing. Ceramics International. 2024;50(17): 30474-30482. DOI:10.1016/j.ceramint.2024.05.345

11. Lu N, Meng Q, Hou X, Sun G, et al. Innovative fabrication and absorption enhancement in MgO-stabilized ZrO2/graphene composites. Advanced Powder Technology. 2025;36(1):104731. DOI:10.1016/j.apt.2024.104731

12. Bai W, Chen L, Wei B, Li K, et al. The effect of particle size gradation on the microstructure, mechanical and thermal physical properties of BN-ZrO2-SiC composites. Journal of Materials Research and Technology. 2024;33:8091-8098. DOI:10.1016/j.jmrt.2024.11.154

13. Chen M, Fan B, Lei H, Song Z, et al. Rapid densification mechanism and properties of h-BN/ZrO2 composites with oxide additives by spark plasma sintering. Journal of the European Ceramic Society. 2023;43(13): 5493-5502. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2023.05.022

14. Zhu L, Ren X, Wang X, Kang X, et al. Microstructure and high-temperature oxidation resistance of MoSi2-ZrO2 composite coatings for niobium substrate. Journal of the European Ceramic Society. 2021;41(2): 1197-1210. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2020.09.029

15. Quan C, Yang X, Luo J, Wang Z, et al. Preparation of MoSi2@ZrO2 core-shell powders by hydrothermal-calcination and evaluation of lowtemperature oxidation resistance. Ceramics International. 2023;49(8):12662-12671. DOI:10.1016/j.ceramint.2022.12.129

16. Yang X, Qing W, Feng C, Yin-Wei M, et al. Sol-gel process and high-temperature property of SiO2/ZrO2-SiO2 composites. Ceramics International. 2017;43(1):854-859. DOI:10.1016/j.ceramint.2016.10.020

17. Fu L, Wang B, Xia W. New insights into the formation mechanism of zircon in a ZrO2–SiO2 nanocrystalline glass-ceramic: a TEM study. Ceramics International. 2022;48(18):27097-27105. DOI:10.1016/j.ceramint.2022.06.021

18. Xiong Z, Zhang K, Liao W, Liu T, et al. Laser powder bed fusion fabrication of TiB2-Modified Al2O3-ZrO2 eutectic ceramics: microstructure evolution and mechanical properties. Ceramics International. 2024; 50(24):55577-55588. DOI:10.1016/j.ceramint.2024.10.418

19. Lv M, Chen W, Liu C. Fabrication and mechanical properties of TiB2/ZrO2 functionally graded ceramics. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2014;46:1-5. DOI:10.1016/j.ijrmhm.2014.04.019

20. Jithin PV, Dhamodaran A, Prajisha KP, Suman S, et al. Structural and optical properties of Ce-stabilized tetragonal phase and intense blue emission of monoclinic phase in ZrO2 nanoparticles. Journal of Luminescence. 2025;277:120933. DOI:10.1016/j.jlumin.2024.120933

21. Shwailiya SA, Hameed MR. Multi-material functionally graded additive manufacturing of zirconia ceramic: a systematic review. Open Ceramics. 2025;21:100741. DOI:10.1016/j.oceram.2025.100741

22. Chen G, Ling Y, Li Q, Zheng H, et al. Stability properties and structural characteristics of CaO-partially stabilized zirconia ceramics synthesized from fused ZrO2 by microwave sintering. Ceramics International. 2020; 46(10):16842-16848. DOI:10.1016/j.ceramint.2020.03.261

23. Wen T, Yuan L, Yan Z, Jin Y, et al. Enhancement of the electrochemical performance in MgO stabilized ZrO2 oxygen sensors by co-doping trivalent metal oxides. Current Applied Physics. 2022;39:133-139. DOI:10.1016/j.cap.2022.04.021

24. Li N, Yu N, Yi Z, An D, et al. CeO2-stabilised ZrO2 nanoparticles with excellent sintering performances synthesized by sol-gel-flux method. Journal of the European Ceramic Society. 2022;42(4):1645-1655. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2021.12.012

25. Caruso R, Mamana N. High pressure compaction and densification at 1200 °C of nano-sized ZrO2-3 mol% Y2O3 powders obtained by sol-gel process. Journal of Alloys and Compounds Communications. 2025;6:100051. DOI:10.1016/j.jacomc.2024.100051

26. Rahmanimehr E, Baghshahi S, Karami F. A comparative study on antibacterial properties of EuO, CuO, and ZnO dopped ZrO2 sol-gel coatings. Ceramics International. 2024;50(24):52205-52212. DOI:10.1016/j.ceramint.2024.07.364

27. Talukdar C, Pandey V, Husain MS, Kumar N, et al. Tuning of optical parameters of sol-gel synthesized ZrO2 nanoparticles. Optical Materials. 2024;157:116349. DOI:10.1016/j.optmat.2024.116349

28. Marashdeh MW, Mahmoud KA, Alhindawy IG . Nano-engineered Fe-doped ZrO2: A novel and sustainable gamma ray shielding material synthesized via a green hydrothermal approach. Ceramics International. 2025; 51(15):20270-20282. DOI:10.1016/j.ceramint.2025.02.192

29. Panasyuk GP, Kozerozhets IV, Danchevskaya MN, Ivakin YuD, et al. A new method for synthesis of fine crystalline magnesium aluminate spinel. Doklady Chemistry. 2019;487(2):218-220. DOI:10.1134/S0012500819080019

30. Zain M, Yasin KA, Haq S, Rehman W, et al. Effect of calcination temperature induced structural modifications on the photocatalytic efficacy of Fe2O3–ZrO2 nanostructures: mechanochemical synthesis. RSC Advances. 2024;14(21):15085-15094. DOI:10.1039/D4RA01944J

31. Malinina EA, Goeva LV, Buzanov GA, Retivov VM, et al. Synthesis and thermal reduction of complexes [NiLn][B10H10] (L = DMF, H2O, n = 6; L = N2H4, n = 3): Formation of solid solutions Ni3C1–xВx. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2020;65(1):126-132. DOI:10.1134/S0036023620010118

32. Irankhah R, Mobasherpour I, Alizadeh M, Moosavi Nezhad SM, et al. Carbothermal reduction of ZrSiO4 for in situ formation of ZrO2-based composites using spark plasma sintering. Ceramics International. 2023;49(2):2681-2688. DOI:10.1016/j.ceramint.2022.09.248

33. Li X, Xu Y, Mao X, Zhu Q, et al. Investigation of optical, mechanical, and thermal properties of ZrO2-doped Y2O3 transparent ceramics fabricated by hip. Ceramics International. 2018;44(2):1362-1369. DOI:10.1016/j.ceramint.2017.08.204

34. Vakhshouri M, Najafzadehkhoee A, Talimian A, Pernia CL, et al. Al2O3/Y3Al5O12 (YAG)/ZrO2 composites by single-step powder synthesis and spark plasma sintering. Journal of the European Ceramic Society. 2024;44(12):7180-7188. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2024.05.004

35. Lu N, He G, Yang Z, Yang X, et al. Fabrication and reaction mechanism of MgO-stabilized ZrO2 powders by combustion synthesis. Ceramics International. 2022; 48(5):7261-7264. DOI:10.1016/j.ceramint.2021.11.286

36. Stolin AM, Bazhin PM, Alymov MI. Deformation of SHS products under combustion conditions. Inorganic Materials. 2016;52(6):618-624. DOI:10.1134/S0020168516060169

37. Bazhin P, Konstantinov A, Chizhikov A, Prokopets A, et al. Structure, physical and mechanical properties of TiB-40 wt. % Ti composite materials obtained by unrestricted SHS compression. Materials Today Communications. 2020;25:101484. DOI:10.1016/j.mtcomm.2020.101484

38. Stolin AM, Bazhin PM, Konstantinov AS, Stolin PA, et al. Free SHS-compression method for producing large-sized plates from ceramic materials. Refractories and Industrial Ceramics. 2019;60(3):261-263. DOI:10.1007/s11148-019-00348-4

39. Chizhikov AP, Konstantinov AS, Antipov MS, Zhidovich AS, et al. Self-propagating high-temperature synthesis of composite material based on stabilized zirconium oxide. Refractories and Industrial Ceramics. 2023;64(4):373-377. DOI:10.1007/s11148-024-00855-z