A study on the synthesis and mechanical property assessment of calcium zirconate perovskite – mullite composites Eine Studie zur Synthese und Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Calcium-Zirkonat- Perowskit - Mullit-Verbundwerkstoffen

Abstract

This study investigates the physical, mechanical, microstructure analysis and wear properties of ceramic composites consisting of calcium zirconate, mullite and their mixtures in different proportions. Calcium zirconate, a multifunctional perovskite ceramic with promising applications in structural, catalytic, and biomedical fields, was reinforced with mullite to enhance its wear resistance. While pure calcium zirconate samples exhibited low physical and mechanical properties, the addition of mullite improved these properties generally. Increased mullite content significantly improved hardness, bending strength and wear resistance in all composites, particularly in the composite containing equal weight proportions of calcium zirconate and mullite (50 wt.-% calcium zirconate – 50 wt.-% mullite). The hardness of pure calcium zirconate was measured as 122.94 HV 1, whereas it reached 325.53 HV 1 for the composite containing 50 wt.-% calcium zirconate and 50 wt.-% mullite, indicating a significant improvement in mechanical performance. Similarly, the bending strength increased from 32.02 MPa to 98.68 MPa, and the wear volume of the composite was reduced by more than threefold compared to that of pure calcium zirconate, demonstrating enhanced tribological properties. The results indicate that mullite addition is an effective strategy for improving the mechanical properties and especially wear resistance of calcium zirconate ceramics.

Diese Studie untersucht die physikalischen, mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften sowie das Verschleißverhalten von Keramikverbundwerkstoffen aus Calciumzirkonat, Mullit und deren Mischungen in unterschiedlichen Anteilen. Calciumzirkonat, eine multifunktionale Perowskitkeramik mit vielversprechenden Anwendungen in den Bereichen Strukturtechnik, Katalyse und Biomedizin, wurde mit Mullit verstärkt, um seine Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Während reine Calciumzirkonatproben geringe physikalische und mechanische Eigenschaften aufwiesen, verbesserte die Zugabe von Mullit diese Eigenschaften im Allgemeinen. Ein erhöhter Mullitgehalt verbesserte Härte, Biegefestigkeit und Verschleißfestigkeit aller komposite signifikant, insbesondere des komposite mit gleichen Gewichtsanteilen an Calciumzirkonat und Mullit (50 Gew.-% Calciumzirkonat – 50 Gew.-% Mullit). Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Mullit eine effektive Strategie zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und insbesondere der Verschleißfestigkeit von Calciumzirkonatkeramiken darstellt. Diese Studie schließt eine wichtige Lücke in der Literatur hinsichtlich des Verschleißverhaltens von Calciumzirkonatkeramiken und unterstreicht das Potenzial von Calciumzirkonat-Mullit-Kompositen für strukturelle und biomedizinische Anwendungen. Die Härte von reinem Calciumzirkonat wurde mit 122,94 HV 1 gemessen, während sie für den Verbundwerkstoff mit 50 Gew.-% Calciumzirkonat und 50 Gew.-% Mullit 325,53 HV 1 erreichte, was eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften belegt. Ebenso stieg die Biegefestigkeit von 32,02 MPa auf 98,68 MPa, und das Verschleißvolumen des Verbundwerkstoffs reduzierte sich im Vergleich zu reinem Calciumzirkonat um mehr als das Dreifache, was verbesserte tribologische Eigenschaften belegt.