Publication: การขึ้นรูปและสมบัติของวัสดุเชิงประกอบเซอร์โคเนียผสมอะลูมินาที่ผลิตด้วยการฉีดขึ้นรูปวัสดุผง
3
1
Issued Date
2021-05-14
Resource Type
Language
tha
File Type
application/pdf
Access Rights
Open Access
Rights
ผลงานนี้เผยแพร่ภายใต้ สัญญาอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์แบบ แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-ไม่ดัดแปลง 4.0 (CC BY-NC-ND 4.0)
Rights Holder(s)
มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
Suggested Citation
Nalattaporn Saelee, นลัทพร แซ่ลี้ (2021). การขึ้นรูปและสมบัติของวัสดุเชิงประกอบเซอร์โคเนียผสมอะลูมินาที่ผลิตด้วยการฉีดขึ้นรูปวัสดุผง. สืบค้นจาก: https://hdl.handle.net/20.500.14740/54087
Alternative Title(s)
Processing and properties of zirconia-alumina composite fabricated by powder injection moulding
Author(s)
Advisor(s)
Organization
Abstract
This work investigates the fabrication of zirconia-alumina composites via powder injection molding and the influence of alumina addition on morphology, phase composition and the mechanical properties of zirconia-alumina composites. The alumina content varied between 0-50 vol% and there were six sample conditions for alumina addition: A0, A10, A20, A30, A40 and A50. The fabrication had four steps. First, feedstock was prepared using ceramic powders and polymeric binders, with apowder-to-binder ratio of 38:62 vol%. The ceramic powders were zirconia and alumina. The binders consisted of polyethylene glycol (PEG) and polyvinyl butyral (PVB) at a ratio of 80:20wt%. PEG enhanced flowability and PVB was the backbone of the injected pieces. Second, feedstock was injected into a rectangular mold, with a 190 oC injection temperature. Third, PEG was removed using water debinding and PVB was removed by thermal debinding at 450oC. Finally, sintering at 1450oC, also used thermal debinding. The samples exhibited large shrinkage and the A0 samples contracted the most. From a SEM microstructure analysis of the sintered samples, the sample with 0 vol% alumina (A0) was smooth, with well-fused zirconia particles. With a small addition of alumina at 10 vol%, the particles appeared slightly disconnected. With more alumina content, the particles were disconnected and more porous. The elemental analysis using EDS revealed alumina aggregates in the zirconia matrix. From x-ray diffraction analysis (XRD), the samples exhibited a tetragonal zirconia phase in all alumina conditions, aluminum oxide phase A10 to A50, and the monoclinic zirconia phase in A20-A50. The density and porosity analyses via Archimedes’ method, relative density gradually decreased with increasing alumina content while the porosity change was the opposite. A10 had the highest relative density at 91%. The mechanical properties of zirconia-alumina compositesshowed flexural strength and the flexural modulus increased at small alumina addition. The flexural strength and flexural modulus were highest at 10 vol% alumina, at 290 MPa and 47 GPa, respectively. With higher alumina addition at 20-50 vol%, strength and modulus became lower. Vickers hardness gradually decreased with increased alumina content. A0 and A10 yielded highest hardness values of 1343HV and 1235HV, respectively. Conclusively, the properties of zirconia-alumina composites, fabricated via powder injection molding in this work, were optimized at 10 vol% alumina addition.
งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาการผลิตวัสดุเชิงประกอบเซอร์โคเนียผสมอะลูมินาด้วยกระบวนการฉีดขึ้นรูปวัสดุผง และศึกษาอัตราส่วนของอะลูมินาที่มีผลต่อโครงสร้างจุลภาค องค์ประกอบเฟสและสมบัติทางกลของวัสดุเชิงประกอบเซอร์โคเนียผสมอะลูมินา ในการผลิตมีการปรับเปลี่ยนอัตราส่วนของอะลูมินา ตั้งแต่ 0 ถึง 50 vol% โดยแบ่งออกเป็น 6 เงื่อนไขตามสัดส่วนการเติมอะลูมินาคือ A0 A10 A20 A30 A40 และ A50 การเตรียมชิ้นงานประกอบด้วย 4 ขั้นตอน ขั้นแรกเป็นการเตรียมสารตั้งต้น (Feedstock) ซึ่งประกอบด้วยผงเซรามิกกับวัสดุประสาน โดยใช้สัดส่วนผงต่อวัสดุประสานเท่ากับ 38:62 vol% ผงเซรามิกประกอบด้วยเซอร์โคเนียกับอะลูมินา วัสดุประสานประกอบด้วยพอลิเอธิลีนไกลคอลและพอลิไวนิลบิวทีรอลในสัดส่วน 80:20 wt% พอลิเอธิลีนไกลคอลช่วยในการไหลของผง และพอลิไวนิลบิวทีรอลช่วยยึดเกาะผงวัสดุให้ชิ้นงานคงรูปได้ ในขั้นตอนที่สองคือการฉีดขึ้นรูปชิ้นงานใช้อุณหภูมิ 190 oC ชิ้นงานที่ได้มีลักษณะแท่งยาว ในขั้นตอนที่สามคือการกำจัดตัวประสานแยกเป็นสองส่วนคือ การกำจัดตัวประสานด้วยน้ำสำหรับพอลิเอธิลีนไกลคอล และการกำจัดตัวประสานด้วยความร้อนสำหรับพอลิไวนิลบิวทีรอลที่อุณหภูมิ 450 oC ซึ่งต่อเนื่องสู่กระบวนการสุดท้ายคือการเผาผนึก ที่อุณหภูมิ 1450 oC ชิ้นงานวัสดุเชิงประกอบที่ได้หลังการเผาผนึกมีการหดตัวลงเมื่อเปรียบเทียบกับชิ้นงานก่อนการเผาผนึก โดยชิ้นงาน A0 มีการหดตัวมากที่สุด จากการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดของชิ้นงานหลังการเผาผนึก ในชิ้นงาน A0 เนื้อวัสดุมีความเรียบเป็นเนื้อเดียว เมื่อเพิ่มสัดส่วนอะลูมินาเป็น 10 vol% ความเป็นเนื้อเดียวกันลดลงเล็กน้อย และเมื่อเพิ่มสัดส่วนของอะลูมินามากขึ้น พบว่าทำให้การผนึกตัวของอนุภาคลดลงและมีรูพรุนเกิดขึ้นในชิ้นงาน ผลการวิเคราะห์ธาตุด้วย EDS แสดงการกระจุกตัวของอะลูมินาแทรกอยู่ในเซอร์โคเนีย ในการวิเคราะห์โครงสร้างผลึก เฟสที่พบได้แก่ เซอร์โคเนียเฟสเตตระโกนอล อะลูมินาเฟสคอรันดัมซึ่งพบเมื่อมีอะลูมินา 10 vol% ขึ้นไปและเพิ่มตามสัดส่วนอะลูมินาใน และเซอร์โคเนียเฟสโมโนคลินิกซึ่งเริ่มปรากฏชัดเจนเมื่อมีอะลูมินา 20 vol% ขึ้นไป การวิเคราะห์ความหนาแน่นและความพรุนด้วยวิธีการของอาร์คีมิดิสแสดงความหนาแน่นสัมพัทธ์ที่ลดลงในขณะที่ความพรุนเพิ่มขึ้นกับสัดส่วนอะลูมินา ที่สัดส่วนอะลูมินา 10 vol% ค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์มากที่สุดคือ 91% สำหรับผลการทดสอบสมบัติทางกล ความต้านทานการดัดโค้งและมอดูลัสยืดหยุ่นมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อมีการเติมอะลูมินาและมีค่าสูงสุดเมื่อมีอะลูมินา 10 vol% และมีแนวโน้มลดลงเมื่อมีการเติมอะลูมินา 20 ถึง 50 vol% โดยมีค่าความต้านทานการดัดโค้งสูงสุด 290 MPa และมอดูลัสยืดหยุ่นสูงสุด 47 GPa สำหรับความแข็งมีแนวโน้มลดลงกับสัดส่วนอะลูมินา ซึ่งสัมพันธ์กับโครงสร้างจุลภาคซึ่งปริมาณรูพรุนหรือช่องว่างระหว่างอนุภาคจะ เพิ่มขึ้นกับสัดส่วนอะลูมินาในชิ้นงาน โดยความแข็งมีค่าสูงสุด 1343 HV เมื่อไม่เติมอะลูมินา และ 1235 HV เมื่อเติมอะลูมินา 10 vol% วัสดุเชิงประกอบเซอร์โคเนียผสมอะลูมินาที่ผลิตด้วยการฉีดขึ้นรูปวัสดุผงในงานวิจัยนี้มีความหนาแน่นและสมบัติทางกลที่เหมาะสมที่สุดเมื่อเติมอะลูมินา 10 vol%
งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาการผลิตวัสดุเชิงประกอบเซอร์โคเนียผสมอะลูมินาด้วยกระบวนการฉีดขึ้นรูปวัสดุผง และศึกษาอัตราส่วนของอะลูมินาที่มีผลต่อโครงสร้างจุลภาค องค์ประกอบเฟสและสมบัติทางกลของวัสดุเชิงประกอบเซอร์โคเนียผสมอะลูมินา ในการผลิตมีการปรับเปลี่ยนอัตราส่วนของอะลูมินา ตั้งแต่ 0 ถึง 50 vol% โดยแบ่งออกเป็น 6 เงื่อนไขตามสัดส่วนการเติมอะลูมินาคือ A0 A10 A20 A30 A40 และ A50 การเตรียมชิ้นงานประกอบด้วย 4 ขั้นตอน ขั้นแรกเป็นการเตรียมสารตั้งต้น (Feedstock) ซึ่งประกอบด้วยผงเซรามิกกับวัสดุประสาน โดยใช้สัดส่วนผงต่อวัสดุประสานเท่ากับ 38:62 vol% ผงเซรามิกประกอบด้วยเซอร์โคเนียกับอะลูมินา วัสดุประสานประกอบด้วยพอลิเอธิลีนไกลคอลและพอลิไวนิลบิวทีรอลในสัดส่วน 80:20 wt% พอลิเอธิลีนไกลคอลช่วยในการไหลของผง และพอลิไวนิลบิวทีรอลช่วยยึดเกาะผงวัสดุให้ชิ้นงานคงรูปได้ ในขั้นตอนที่สองคือการฉีดขึ้นรูปชิ้นงานใช้อุณหภูมิ 190 oC ชิ้นงานที่ได้มีลักษณะแท่งยาว ในขั้นตอนที่สามคือการกำจัดตัวประสานแยกเป็นสองส่วนคือ การกำจัดตัวประสานด้วยน้ำสำหรับพอลิเอธิลีนไกลคอล และการกำจัดตัวประสานด้วยความร้อนสำหรับพอลิไวนิลบิวทีรอลที่อุณหภูมิ 450 oC ซึ่งต่อเนื่องสู่กระบวนการสุดท้ายคือการเผาผนึก ที่อุณหภูมิ 1450 oC ชิ้นงานวัสดุเชิงประกอบที่ได้หลังการเผาผนึกมีการหดตัวลงเมื่อเปรียบเทียบกับชิ้นงานก่อนการเผาผนึก โดยชิ้นงาน A0 มีการหดตัวมากที่สุด จากการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดของชิ้นงานหลังการเผาผนึก ในชิ้นงาน A0 เนื้อวัสดุมีความเรียบเป็นเนื้อเดียว เมื่อเพิ่มสัดส่วนอะลูมินาเป็น 10 vol% ความเป็นเนื้อเดียวกันลดลงเล็กน้อย และเมื่อเพิ่มสัดส่วนของอะลูมินามากขึ้น พบว่าทำให้การผนึกตัวของอนุภาคลดลงและมีรูพรุนเกิดขึ้นในชิ้นงาน ผลการวิเคราะห์ธาตุด้วย EDS แสดงการกระจุกตัวของอะลูมินาแทรกอยู่ในเซอร์โคเนีย ในการวิเคราะห์โครงสร้างผลึก เฟสที่พบได้แก่ เซอร์โคเนียเฟสเตตระโกนอล อะลูมินาเฟสคอรันดัมซึ่งพบเมื่อมีอะลูมินา 10 vol% ขึ้นไปและเพิ่มตามสัดส่วนอะลูมินาใน และเซอร์โคเนียเฟสโมโนคลินิกซึ่งเริ่มปรากฏชัดเจนเมื่อมีอะลูมินา 20 vol% ขึ้นไป การวิเคราะห์ความหนาแน่นและความพรุนด้วยวิธีการของอาร์คีมิดิสแสดงความหนาแน่นสัมพัทธ์ที่ลดลงในขณะที่ความพรุนเพิ่มขึ้นกับสัดส่วนอะลูมินา ที่สัดส่วนอะลูมินา 10 vol% ค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์มากที่สุดคือ 91% สำหรับผลการทดสอบสมบัติทางกล ความต้านทานการดัดโค้งและมอดูลัสยืดหยุ่นมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อมีการเติมอะลูมินาและมีค่าสูงสุดเมื่อมีอะลูมินา 10 vol% และมีแนวโน้มลดลงเมื่อมีการเติมอะลูมินา 20 ถึง 50 vol% โดยมีค่าความต้านทานการดัดโค้งสูงสุด 290 MPa และมอดูลัสยืดหยุ่นสูงสุด 47 GPa สำหรับความแข็งมีแนวโน้มลดลงกับสัดส่วนอะลูมินา ซึ่งสัมพันธ์กับโครงสร้างจุลภาคซึ่งปริมาณรูพรุนหรือช่องว่างระหว่างอนุภาคจะ เพิ่มขึ้นกับสัดส่วนอะลูมินาในชิ้นงาน โดยความแข็งมีค่าสูงสุด 1343 HV เมื่อไม่เติมอะลูมินา และ 1235 HV เมื่อเติมอะลูมินา 10 vol% วัสดุเชิงประกอบเซอร์โคเนียผสมอะลูมินาที่ผลิตด้วยการฉีดขึ้นรูปวัสดุผงในงานวิจัยนี้มีความหนาแน่นและสมบัติทางกลที่เหมาะสมที่สุดเมื่อเติมอะลูมินา 10 vol%
Description
MASTER OF SCIENCE (M.Sc.)
วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต (วท.ม.)
วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต (วท.ม.)
Degree Grantor(s)
มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ