Sinterverhalten von Verbunden aus nanokristallinem Zirconiumdioxid

In der vorliegenden Arbeit wurde das Sinterverhalten nanokristalliner Werkstoffe und die Spannungszustände kosinternder Schichtverbunde untersucht. Mit einem optischen Dilatometer wurden Schwindung und Krümmung von frei sinternden Proben und kosinternden Schichtverbunden aus nanokristallinem ZrO2 gemessen und die Ergebnisse mit den Voraussagen eines kontinuumsmechanischen Modells verglichen, das die mikrostrukturelle Entwicklung von sinterndem ZrO2 auch unter komplexen Spannungszuständen beschreiben kann. Die Arbeit beleuchtet drei aufeinander aufbauende Fragestellungen: 1. Wie entwickelt sich die Mikrostruktur unterschiedlich feiner kristalliner Werkstoffe beim Sintern? Nanokristalline Pulver agglomerieren häufig und erfahren dadurch ein starkes Kornwachstum. Um zu ermitteln, in wie weit durch eine Verbesserung der Grünkörperherstellung ein geringeres Kornwachstum zu erwarten ist, wurden die Sinterpfade von ideal aufgebauten Gefügen für verschiedene Korngrößen im Grünzustand berechnet und dabei die Sintertemperatur angepasst. Je nachdem, welcher Mechanismus das Kornwachstum kontrolliert, ergeben sich für feinere Gefüge flachere oder steilere Sinterpfade als für gröbere Gefüge. Dem Modell und den Messungen zufolge nimmt die Korngröße im mittleren Sinterstadium nur wenig zu. 2. Welche Geometrieänderungen erfahren sinternde, nanokristalline Werkstoffe? Proben aus undotiertem ZrO2 mit Korngößen von 18 nm und 59 nm bei 70% der theoretischen Dichte (TD) und aus 3Y-TZP mit 29 nm wurden bei Temperaturen zwischen 1000°C und 1100°C frei gesintert und ihre Verdichtung mit Ergebnissen von Simulationen verglichen. Nach einer Anpassung der Diffusionskonstanten wichen die simulierten Dichten von den gemessenen nie mehr als 8%TD und meist weniger als 2%TD ab. Die Größenordnung der gefundenen Diffusionskonstanten stimmt mit Literaturwerten überein. 3. Welche Geometrieänderungen erfahren kosinterndenWerkstoffverbunde, und welche Verbundspannungen treten auf? Mit der so angepassten Simulation konnten die Verdichtung weiterer frei sinternder Proben und Verdichtung und Krümmung von Verbunden mit unterschiedlichen Korngrößen, Schichtdicken und Temperaturprogrammen vorausberechnet werden. Die Verbunde bestanden aus einer 460 µm dicken keramischen Folie und einer durch Siebdruck aufgebrachten Dickschicht mit einer Dicke von 13 µm bzw. 44 µm. Die Krümmungen betragen bis zu 70 m^(-1), sind annähernd proportional zum Schichtdickenverhältnis und ändern sich nur wenig mit dem Temperaturprogramm. Die Sinterspannungen nehmen Werte zwischen –35 Mpa und –265 MPa an und werden zu Beginn des Endstadium maximal. Die Verbundspannungen betragen in der Dickschicht unabhängig vom Schichtdickenverhältnis bis zu 23% der Sinterspannungen; in der Folie sind sie vernachlässigbar.

In the present work, the sintering behavior of nanocrystalline material and the stress state of cosintering multilayers were examined. Shrinkage and curvature of free sintering samples and cosintering bilayers made from nanocrystalline ZrO2 were measured using an optical dilatometer. The results were compared with the predictions of a continuum-mechanical model describing the microstructural development of sintering ZrO2 under complex stress fields. The present work investigates three consecutive questions: 1. How do crystalline microstructures of different grain sizes develop during sintering? Nanocrystalline powders agglomerate easily and thus experience strong grain growth during sintering. In order to evaluate in how far grain growth can be reduced by an improved green body production, sintering trajectories were calculated assuming an ideal microstructure. For the simulation, sintering temperatures were adjusted to match different initial grain sizes. Depending on the dominant coarsening mechanism, finer microstructures lead to either flatter or steeper sintering trajectories. According to the model and to measurements, little grain growth takes place during the intermediate stage of sintering. 2. How do nanocrystalline materials develop macroscopically during sintering? Samples from undoped ZrO2 with grain sizes of 18 nm and 59 nm at 70% of the theoretical density (TD) and from 3Y-TZP with 29 nm were sintered at temperatures between 1000°C and 1100°C. Densification was measured and compared to the results of a simulation. After adjusting the diffusivities, the simulated densities never deviated from the measured ones by more than 8%TD, typically not more than 2%TD. The scale of the adjusted diffusivities agreed with literature values. 3. How do multilayers develop macroscopically during cosintering, and what compatibility stresses arise? With the simulation and the adjusted diffusivities the densification of further free sintering samples and the densification and curvature of cosintering bilayers of different grain sizes, layer thicknesses, and temperature programs could be predicted. The multilayers were produced from a 460 µm thick ceramic tape and a screen-printed thick film of 13 µm and 44 µm. The curvature amounts up to 70 m^(-1). It is nearly proportional to the thickness ratio of the layers and nearly independent of the temperature program. Sintering stresses are between –35 Mpa and –265 MPa reaching a maximum at the beginning of the final stage of sintering. Compatibility stresses in the thick film are nearly independent of the thickness ratio of the layers and amount upt to 23% of the sintering stress. Compatibility stresses in the tape are negligible.