Электропроводный керамический материал

Авторы патента:

ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ, содержащий стабилизированный диоксид циркония и алюмомагнезиальную шпинель йпи титанат Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано для изготовления твердых электролитов для датчиков определения содержания кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания . Известен электропроводный керамический материал, включакнций диоксид циркония и оксид скандия в качестве стабилизирующей добавки. Такой керамический материал обладает наибольшей кислородоионной проводимостью в широком диапазоне алюминия или муллит, о т л. и ч a ющ и и с я тем, что, с целью снижения удельного сопротивления в интервале температур 400-600 С, он содержит диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия при следующем соотношении компонентов, мае. 7,1 Диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия . 97,0-99,5 Алюмомагнезиальная шпинель 0,5-3,0 апи диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия 98,0-99,5 Титанат алюминия 0,5-2,0 или диоксид циркония , стабилизированный оксидом 95,0-99,5 скандия 0,5-5,0 Муллит СП 00 температур из всех известных керасд мических материалов из твердых ра05 створов на основе диоксида циркония. Однако такой материал имеет недостаточную термическую стойкость для применения его в качестве твердых электролитов в датчиках определения содержания кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания топлива автомобилей, где режим их работы состоит из частых включений выключений , a следовательно, резких нагревов и охлаждений в диапазоне температур 400-600 С.

СС1ОЭ СОВЕТСКИХ

Ц . РЕСПУБЛИК (51)5 С 04 В 35/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВ ГОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

0 5-3,0

0,5-2, О

С: или диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия

Муллит

95,0-99, 5

Оэ 5-5,0

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 3669419/33 (22) 05. 12.83 (46) 23.08.91. Бюл. 9 31 (71) Восточный научно-исследовательский и проектный институт огнеупорной промышленности (72) Ю.С.Торопов, Т.В.Чусовитина, Г.С.Матвейчук, С. Ю.Плинер и В.С.Попова (53) 666.764.2 (088..8) (56) Волченкова 3.С. и др. Фазовый состав и электропроводность образцов систем ZrO< вЂ” Бе 03, спеченных при

2000 С. вЂ” Неорганические материалы, о

Ф 10, 19?4 ° с, 1821-25.

Заявка Великобритании 9 1591781, кл. С 1 J 1981, Авторское свидетельство СССР

Ф 739038, кл. С.04 В 35/48, 1978. (54) (5?) ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЙ КЕРАИИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ, содержащий стабилизированный диоксид циркония и апюмомагнезиальную шпинель или титанат

Изобретение относится к огнеупор-: ной промышленности и может быть использовано для изготовления твердых электролитов для датчиков определения содержания кислорода в выхлопных

vasax двигателей внутреннего сгорания.

Известен электропроводный керамический материал, включающий диоксид циркония и оксид скандия в качестве стабилизирующей добавки.

Такой керамический материал обладает наибольшей кислородоионной проводимостью в широком диапазоне

„„SU„„1156356. А 1

2 алюминия или муллит, о т л. и ч а юшийся тем, что, с целью снижения удельного сопротивления в интервале температур 400-600 С, он содержит диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия при следующем соотношении компонентов, мас. 7.:

Диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия 97 0-99,5

Апюмомагнезиальная шпинель или диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия 9

Титанат алюминия температур из всех известных керамических материалов из твердых растворов на основе диоксида циркония.

Однако такой материал имеет недостаточную термическую стойкость для применения его в качестве твердых электролитов в датчиках определения содержания кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания топлива автомобилей, где режим их работы состоит as частых включенийвыключений, а следовательно, резких нагревов и охлаждений в диапазоне температур 400-600 С.

1156356

О, 5-3,0

98, 0-99, 5

Известен керамический материал для изготовления твердого электролита, включающий диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия или иттербия или кальция и 26,.08-33 мас.Ж магнезиальной шпинели или муллита.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является шихта для изготовления керамиии, используемой в электрохимических системах на основе твердых электролитов и включающей, мас. : диодксид циркония, стабилизированный окислами редкоземельных элементов 65-75, и алюмомагнезиальную шпинель 25-35, Зти материалы имеют высокую термостойкость, но недостаточно высокую злектропроводность в интервале температур 400-600 С. Другими. словами, датчик включится в работу только при о температурах 1000 С, при более низких температурах, в частности в интервале 400-600 С, датчик не будет работать.

Чем выше температура возможного использования твердого электролита, тем больше разница в температурах включения двигателя автомобиля и датчика в работу, выхлоп же вредных отработанных газов прекращается лишь после включения датчика. То есть, чем ниже температурный уровень использования твердого электролита, тем ниже температура включения датчика в работу, а следовательно, эффективнее работа самого датчика.

Цель изобретения вЂ” снижение удельного сопротивления в интервале температур 400-600 С. Поставленная цель достигается тем, что электропроводный керамический материал, содержащий стабилизированный диоксид циркония и алюмомагнезиальную шпинель или титанат алюминия или муллит, содержит диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия при следующем соотношении компонентов, мас.X:

Диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия 97,0-99,5

Алюмомагнезиальная шпиндель или диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия

0 5-2,0

Титанат алюминия имеет самый низкий коэффициент термического расширения, поэтому эффект увеличения .термической стойкости может .быть дос-. тигнут при меньшем содержании добавки по сравнению с другими, Однако титанат алюминия в самой значительной степени влияет на рост электросопротивления керамики и в меньшей степени способствуют ее спеканию.

Муллит менее заметно сказывается на увеличении сопротивления твердого раствора ZrOz вЂ” $е Оз, однако при исТитанат алюминия или диоксид цирко-. ния, стабилизированный оксидом скандия 95, 0-99, 5

Иуллит 0,5-5,0

Сущность изобретения состоит в том, что новое сочетание компонентов

10 в заявляемых пределах обеспечивает повышение электропроводности керамического материала в области низких температур 400-600 С. Высокая температурная устойчивость предлагае15 мых добавок не нарушает фазового состава керамики при ее обжиге, и ее свойства определяются в основном свойствами твердого раствора Zr+

Яе Оз, поскольку объем границ зерен

20, несоизмеримо мал в сравнении с объемом самих зерен. При этом указанные модифицирующие добавки распределяются тонкой пленкой по границам зерен, способствуя тем самым спеканию ке25 рамики и улучшению электрических свойств, а также формированию микротрещиноватой структуры за счет раз-личия KTP твердого раствора и модифицирующей добавки, что обеспечивает

30 ей высокую термостойкость.

Различное содержание каждой из предлагаемых добавок, а также их пределы обусловлены условиями службы тверди электролитов в датчиках ав35 томобилей, с одной стороны, а также индивидуальными свойствами добавок, с другой стороны.

Алюмомагнезиальная шпинель имеет самую высокую устойчивость в широком

40 диапазоне температур и, следовательно,, керамика может претерпевать воздействие самых высоких температур при обжиге (72000 С), если необходимо получить керамику с высокой плот45 HocTblo °

Электросопротнвленне, .Ом.см при температур изменения,еС

Состав керамики, мас. I мостойкость ппосмен (20ОеС - вора) 4ОО

Прототип

>10

> 1Or

>1ОР

> 10

>1О

>10

1,9 10

1,6 ° 10

1 >8 10 (гтог--тяО,) 65X+ И$41еОл ЗЗХ (гто -7 01) 70X + игА!гол ЗОХ (ZrOr Таов) 75I+NSAt ОЛ 25I

1 >7 10>

3>5-10>

2,8 10>

Прерлокенный объект

3900 301

1 вариант

ZrOr стао.. $ееОз +0>5Х Н8А1гол гтОа -"- $е О +1,ОХ Н$41гОл

ZrOa -"- Se Î +2,ОХ NSAlao, ZrOr -"- $еr04+3,0Х NgAlгоЛ

2 вариант

99,5Х

99,02

98,0Х

97,0Х

9,55

1,0410

I,1110

1 14106

4030

378

4500

407

4800

443

3140 320

99,5Х

99 >ОХ

98,0I гтое стао, $е 01+0,52 Al

ZrOr - - $его +1,OX Аl, Т(0

ZrOr -"- $е,о>+2,0X А1гТ10$

3 вариант

6 ° 71

6,60

7,10

3770

423

4640

458

2560 . 290 гтОг стао.

ZrO г

99>58

99,ОХ

9 7,02

95,0Х

$егов+О 5Х ЗА(гОЗ 2$1Ог

$Е$01+1,0I ЗА(гоз 2$10г

$еаоз+З,ОХ ЗА1701 2$10г

$егоз+5>ОХ ЗА1гоз 2$10г

7О

7,ОЗ.

7,64

8,77

9 ° 4

2940 .4000

330

ZrO г

ZrOg -"".430

4800

460

5 11563 пользовании его требуется получение строго стехиометрического состава муллита с высокой степенью чистоты, Свободный кремнезем может переходить в стеклофазу при обжиге изделий, а содержание примесей, например таких, как Na O, Са0, К90 и других даже при стехиометрическом составе муллита может приводить к образованию стеклофазы при обжиге изделий.

Нижний и. верхний пределы содержания каждой добавки обусловлены условиями термостойкости и электропровод. ности. Нижний предел ограничен снижением термической стойкости керамического материала, верхний пределповышением уровня его электросопротивления, ориентируясь на значения электросопротивления твердого раст- 20 вора ZrOz вЂ” Бе 09.

В предлагаемом решении предпочтительно использовать диоксид цирконыя, стабилизированный 8-10 мас.Х

$е 08, как наиболее электропровод- 25 ный твердый раствор в системе Zr0<вЂ”

Бе О, Пример. Предварительно синтезированные модифицирующие добавки подвергают измельчению в вибромель- З0 нице совместно с диоксидом циркония, стабилизированным оксидом скандия (10 мас.Ж) . Из полученных смесей готовят образцы методом полусухого прессования. Обжиг образцов проводят при 1600-1650 С. . На обожженных образцах измеряли удельное объемное электросопротив.ление при 400-600 С и термостойкость в режиме нагрев до 1200 СвЂ” охлаждение (вода).

В таблице приведены составы и < свойства образцов ns предлагаемого керамического материала, а также прототипа.

Как показапи испытания, предлагаемые составы керамического материала имеют значительно более низкие значения электросопротивления по сравнению с прототипом.

Таким образом, предлагаемый электропроводный керамический материал обеспечивает повышение электропроводности твердых электролитов при 400600 С, что позволит повысить надежность датчиков контроля кислорода для автомобилей.

Использование твердых электролитов предлагаемого состава перспективно для контроля и регулирования процессов сжигания топлива в автомобилях.

Шихта для изготовления твердых электролитов // 1096253

Генератор псевдослучайных последовательностей // 1095367

Шихта для получения высокоогнеупорных электропроводных изделий // 1072397

Шихта для изготовления твердых электролитов // 1008199

Шихта для изготовления твердых электролитов // 997393

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано в электрохимических устройствах для измерения концентрации кислорода в расплавах металлов, в выхдопных газах двигателей внутреннего сгорания и.др

Электропроводный высокотемпературный материал // 990850

Керамический электропроводный материал на основе диоксида циркония // 990063

Способ получения керамического материала // 881070

Огнеупорный керамический материал // 863566

Способ получения циркониевой керамики // 2104985

Изобретение относится к порошковой металлургии, а более точно касается способов получения циркониевой керамики, и может быть использовано в производстве высокопрочных конструктивных и инструментальных материалов и изделий, например волочильных инструментов

Способ изготовления плотной керамики для твердого электролита // 2134670

Изобретение относится к способам изготовления высокоплотной керамики для твердого электролита на основе диоксида циркония с небольшими добавками оксида алюминия, получаемого химическим осаждением из растворов хлористых солей циркония и алюминия

Способ изготовления керамики на основе диоксида циркония // 2194028

Изобретение относится к способу изготовления керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, с небольшими добавками фторидов натрия и калия, получаемого химическим осаждением из растворов солей

Мишень, предназначенная для испарения под действием электронного луча, способ ее получения, полученные из мишени тепловой барьер и покрытие, и механическая деталь, имеющая такое покрытие // 2370471

Изобретение относится к композитной мишени в форме стержня, образованной из керамических порошков и предназначенной для испарения под действием электронного луча, содержащей диоксид циркония и по меньшей мере один стабилизатор диоксида циркония

Шихта на основе циркона для получения плотной огнеупорной керамики // 2394004

Изобретение относится к области получения огнеупорных и керамических изделий на основе циркона и может быть использовано в машиностроении, авиационной и электротехнической промышленности

Способ изготовления износостойкой керамики // 2411217

Изобретение относится к способу изготовления износостойкой керамики на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия, и может быть использовано при изготовлении деталей трибологического применения в качестве фильер, волок, подшипников и т.д

Способ получения микро- и нанопористой керамики на основе диоксида циркония // 2417967

Изобретение относится к способам получения микро- и нанопористой керамики и может быть использовано в машиностроении, химической промышленности, энергетике для получения фильтрующих материалов, носителей катализаторов и компонентов пористых систем со специальными свойствами

Высокочистые порошки и изготовленные из них покрытия // 2436752

Оксид циркония и способ его получения // 2442752

Изобретение относится к порошкообразному оксиду циркония, способу его получения, а также применению в топливных ячейках, в частности для получения электролитных субстратов для керамических топливных ячеек

Шихта для керамического материала на основе оксидов циркония и алюминия и нитрида циркония // 2455261

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению керамического материала на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующегося высокой прочностью и трещиностойкостью, и может быть использовано для изготовления режущего инструмента, в нефте- и газодобывающей промышленности (клапанные устройства и уплотнительные кольца насосов), при изготовлении сопловых насадок для пескоструйных аппаратов и распылителей химических растворов