Композиция для изготовления керамических изделий

 

Изобретение касается композиций для получения керамических изделий и может быть использовано при изготовлении конструкционной керамики с высокими свойствами. Целью изобретения является получение изделий сложной формы с высокой прочностью. Для этого используют композицию, содержащую следующие компоненты, об.%: порошкообразный керамический материал из группы: SIO<SB POS="POST">2</SB>, AL<SB POS="POST">2</SB>O<SB POS="POST">3</SB>, TIO<SB POS="POST">2</SB>, SIC 50-63,8

вода или глицерин 28-43,6

гидролизованный поливинилацетат или полиакриламид 6,4-17,59, причем частицы керамического материала имеют размер *985 MKM, пРЕиМущЕСТВЕННО MEHEE 1 MKM, пРи КОэффициЕНТЕ ВАРиАции иХ РАзМЕРА 0-0,5, СРЕдНЕМ СООТНОшЕНии CTOPOH ≤1,50, КОэффициЕНТЕ ВАРиАции ОТНОшЕНия CTOPOH 0-0,5, A КОэффициЕНТ ТРЕНия КОМпОзиции HE пРЕВышАЕТ 0,1, пРЕиМущЕСТВЕННО 0,05. ФОРМОВАННОЕ издЕлиЕ из TIO<SB POS="POST">2</SB> после обжига при 1300°С в течение 1 ч имело σ<SB POS="POST">изг</SB> 241±29 МПа, модуль Вейбулла 8,4, а из AL<SB POS="POST">2</SB>O<SB POS="POST">3</SB>-соответственно 274±1 МПа и 27.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„.SU 150 44!

51 4 С 04 В 35/00

ВСЕСОЮ

ПЙТЕНТНО- 1

Б! !БЛИ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К rIATEHTY

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР! (21) 4027025/23-33 (22) 14.02.86 (33) GB (46) 30. 08.89. Бюл. М 32 (71) Империал Кемикал Индастриз ПЛС (GB) (72) Нейл Макнейлл Олфорд, Джеймс

Дерек Берчалл, Энтони Джеймс Говард, Кевин Кендалл и Джеймс Хью Райстрик (СВ) (53) 666. 76(088.8) (56) Патент ГДР !! 205885, кл. С 04 В 33/18, опублик. 1984. (54) КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение касается композиций для получения керамических изделий и может быть использовано при изготовлении конструкционной керамики с высокими свойствами. Цель изобретения — получение изделий сложной форИзобретение касается композиции, включающей керамический материал в форме частиц, формованного изделия, полученного иэ такой композиции, и продукта из этого формованного изделия, в котором частицы керамического материала подвергнуты спеканию с целью уплотнения продукта.

Если керамический материал в форме частиц и жидкая среда выбраны таким образом, что композиция имеет коэффициент трения менее 0,2 и отношение сторон частиц не превышает

1,7, то из.этого керамического материала в форме частиц и из жидкой сре2 ы с высокой прочностью. Для этого используют композицию, содержащую следующие компоненты, об Е: порошкообразный керамический материал иэ руппы: SiOz А1гОз, TiO, SiC 50

63,8; вода или глицерин 28-43,6; гидролизованный поливинилацетат или полиакриламид 6,4-17,59, причем частицы керамического материала имеют размер а 5 мкм, преимущественно менее 1 мкм, при коэффициенте вариации их размера 0-0,5, среднем соотношении сторон (1150, коэффициенте вариации отношения сторон 0-0,5, а коэффициент трения композиции не превышает 0,1, преимущественно 0,05. Формованное изделие из TiO после об 1 жига при 1300 С в течение 1 ч имело б„ „241+29 !DIa, модуль Вейбулла

8,4, а иэ А1 0 — соответственно

274+1 МПа и 27, ды возможно получение однородной композиции, которая легко формуется способами, принятыми в производстве пластиков или резины, с образованием формованного изделия большого размера и сложной формы, которое может содержать большую пропорцию керамического материала, и возможно получение из этого формованного изделия спеченного продукта, обладающего высокими рабочими характеристиками, который имеет высокое содержание керамического материала и плотность которого может быть близка или даже достигать теоретическую плотность.

3 1505

Композиция, содержащая керамический материал в форме частиц и жидкую среду, с коэффициентом трения более чем 0,2 и/или отношением сторон час тиц (коэффициентом формы) более

1,70, значительно менее легко формуется, затруднено получение из этой композиции когезионно связанного формованного изделия способами, принятыми в производстве пластиков и резины.

Коэффициент трения композиции определяют следующим образом.

Композицию, содержащую керамический материал и жидкую среду с желаемой объемной пропорцией керамического материала в форме частиц, тщательно перемешивают, частицы керамического материала диспергируются, например, под воздействием высокого усилия сдвига, Композицию помещают на плоскую поверхность, так, чтобы высота этой композиции составляла не менее 18 мм. После этого на композицию накладывают цилиндрический плунжер диаметром 13 мм так, чтобы вся поверхность торца этого плунжера находилась в контакте с композицией, и нагрузку на плунжер увеличивают до 5000 Н. При такой нагрузке определяют толщину t композиции между и"чунжером и плоской поверхностью.

Коэффициент трения равен

Р= 3+13/ t

Испытание должно осуществляться в интервале скоростей плунжера 1100 мм/мин, и в этом интервале должно быть лишь одно значение скорости, при котором коэффициент трения составляет менее 0,2.

Коэффициент трения, зависит от размера частиц керамического материала, распределения частиц по размеру, формы частиц, т.е. отношения сторон, степени скопления частиц и типа жидкой среды, Данные параметры взаимосвязаны.

440 4 более высокими скоростями, чем при других условиях.

Керамический материал в форме частиц может иметь монофракционный

5 или полифракционный состав.

Желательно, чтобы коэффициент вариации размера частиц керамического материала, т.е. отношение стандартного отклонения размера к среднему размеру, находится в пределах 00,5, причем данный размер является максимальным, определяемым с помощью микроскопа. Так, желательно, чтобы

Частицы керамического материала имеют предпочтительно небольшой размер, например менее 5 мкм. Частицы размером менее 1 мкм и даже менее

0,2 мкм являются более предпочтительными, поскольку использование таких частиц обеспечивает возможность спекания частиц керамического материала, которое осуществляется при более низких температурах и с

=Л= 0 — 05

Ф 1

5 где V — коэффициент вариации (или

5 коэффициент отклонения) размера;

$ — стандартное отклонение от5 носительно среднего размера; х5 — средний размер частиц.

Частицы керамического материала должны иметь среднее значение отношения сторон менее 1,70 ° Для того, чтобы композиция легче формировалась, особенно когда она имеет высоЭО кое содержание керамического материала в форме частиц, желательно, чтобы отношение сторон частиц керамического материала составляло менее

1,50 и чтобы коэффициент вариации

35 отношения сторон, т.е. отношение стандартного отклонения отношения сторон к среднему отношению сторон, находился в пределах 0-0,5. Использование такого керамического матери40 ала в форме частиц способствует однородному спеканию. Так, желательно, чтобы

Ба

V==--=0 — 05 х

У t а

45 где Ч вЂ” коэффициент вариации отношения сторон;

$а — стандартное отклонение относительно среднего отношения сторон, Ха — СРЕДНЕЕ ОТНОШЕНИЕ СтоРОН.

Жидкая среда может представлять собой водную (предпочтительно) или неводную среду, содержит органический полимерный материал в растворе или

55 дисперсии в жидкости. Предпочтительным полимерным материалом для получения способньм к формованию композиций, имеющих желаемый коэффициент трения, является гидролизованный по150 лимер или сополимер винилового сложного эфира, особенно гидролизованный йолимер или сополимер винилацетата.

Степень гидролиза полимера или сополимера винилацетата составляет предпочтительно не менее 50Х.

Композиция должна быть равномерно перемешана.Перемешивание компонентов композиции для получения однородной композиции осуществляется предпочтительно в условиях воздействия высоких сдвигающих усилий, например, в червячном экструдере или в двухвалковой мельнице, валки которой могут вращаться с одинаковыми или различными окружными скоростями ° Данная композиция может быть пов-.орно пропущена через отверстие между валками мельницы, и это отверстие может прогрессивно уменьшаться в размере.

Отверстие между валками мельницы может быть уменьшено до 0,1 мм, в результате чего на композицию действует очень большое сдвиговое усилие, что способствует расщеплению скоплений частиц керамического материала, которые могут присутствовать в композиции.

Композиция может быть сформована например, путем прессования в форме, продавливания, инжекционного прессования, и особенно путем каландирования в двухвалковой мельнице с образованием листового материала. Так, например, перемешивание компонентов композиции и формование композиции может осуществляться одновременно в двухвалковой мельнице.

Для того, чтобы композиция могла формоваться при относительно низких давлениях желательно, чтобы нормальный предел текучести композиции составлял менее 1 МПа. Определение предела текучести может осуществляться при определении коэффициента трения.

Предел текучести Y определяется следующей формулой:

13,1

31,1

Y = 0,0075 F (ИПа), где F сила, необходимая для цилиндрического плунжера диаметром

13 мм для уплотнения композиции от толщины не менее 18 мм до толщины 13 мм, Н.

Формованное иэделие подвергают дальнейшей обработке (сушке) с целью удаления жидкой среды или летучих компонентов данной жидкой среды.

5440 6

Сушка может осуществляться в печи, о например, при теммпературе до 100 С или несколько вьш е, особенно когда в качестве жидкой среды используют всду.

Температура, при которой происходит спекание частиц керамического материала, зависит от типа керамического материала (обычно более

1000 С, может быть более 1500 С).

Пример 1. Компоненты компози-, ции: керамический материал в форме частиц — TiO с х 1,49; 8 0,472; Чд

0 32 х 0,19 мкм, S 0,0669 мкм;

0,35; плотностью 4,05 г/см, органический полимерный материал гидролизованный на 807 поливинилацетат (bohsenol КН 17 S) и воду— перемешивали в следующих объемных соотношениях, об.7:

Т10 55,8

Орrанический полимерный

25 материал

Вода

Коэффициент трения композиции составлял О, 05.

Данная композиция легко формовалась в двухвалковой мельнице и получалась композиция в форме когезионно связанного листа ° Уплотняющаяся фракция частиц TiO< в формованной композиции составляла 55,8/, что со35 ответствовало ее пропорции в исходной композиции, указывая на то, что данный лист не содержал воздух. После нагревания с целью испарения воды из листа уплотняющаяся фракция

40 частиц Ti0 составляла 60Х, показывая тем самым, что испарение воды сопровождалось усадкой.

Полученное формованное изделие, из которого была удалена вода, нао гревали до 450 С со скоростью повыО, / шения температуры 1 Сумин в печи с целью выжигания гидролиэованного поливинилацетата. Затем изделие нао гревали в печи при 1300 С в течение

1 ч с целью спекания частиц TiO

Прочность на изгиб полученного спеченного продукта определяли методом трехточечного испытания на изгиб. Прочность на изгиб равна

241+29 YJIa, модуль Вейбулла 8,4.

Для сравнения приготавливали композицию, содержащую 50 об.X TiO, как указан выше, и 50 об.7, воды.

Компоненты перемешивали в смесителе

1505440

16.6

33,4

6,4

43,6 орбитального действия. Смесь была рассыпчатой и довольно сухой и не могла быть сформована в однород- ную когезионно связанную композицию.

Коэффициент трения смеси составлял

0,39.

Пример 2. Компоненты композиции: керамический материал — S iO с „1,31; S 0 217; V 0,167; х„

0,13 мкм; S 0,005 мкм; Ъ 0,384; плотностью 2,2 г/см ; органический полимер ный материал — гидр оли зов а нный на 80 поливинилацетат (Gohsenol

KH17S) и воду перемешивали в следую- 15 щих объемных соотношениях, об. :

$i02 63,8

Органический полимерр ный ма т ер и ал 8,2

Вода 28,0 20

Коэффициент трения данной композиции составлял 0,1, Данная композиция легко формовалась в двухвалковой мельнице с получением композиции в форме когезион- 25 но связанного листа.

Пример 3. Компоненты композиции: керамический материал в форме частиц, как в примере 1, органичес::и, полимерный материал, как в пример. 1, 30 и воду перемешивались в следующих объемных соотношениях, об.%:

TiO 50

Органический полимерный материал

Вода

Коэффициент трения композиции составлял 0,04.

Среднее отношение сторон частиц керамического материала и коэффициент 40 трения композиции были меньше нижних пределов. Данная композиция могла легко формоваться в днухвалковой мельнице с получением формованного изделия в виде когезионно связанного 45 листа.

Пример 4. Осуществляли по примеру 2 с той разницей, что не использовали органический полимерный материал и композиция содержала

50 об. SiO и 50 об, . глицерина (вме50 сто воды), Коэффициент трения данной композиции составлял 0,03, предел текучести - 0,1 MIIa. Данная композиция быпа текучей и легко формовалась.

Пример 5. Компоненты компо1 зиции: керамический материал в форме частиц А1 0> с 1,443; S

0,367; Чд 0,25; х 0 251 мкм; S

О, 108 мкм; V 0,43; плотностью

3,97 г/см, 6рганический полимерный материал, в примере 1, и воду — перемешивали н следующих объемных соотношениях, об. :

Al О р 50

Органический полимерный материал

Вода

Коэффициент трения композиции составлял 0,03, предел текучести-0,71 MIIa.

Данная композиция могла легко формироваться н двухвалковой мельнице с образованием когезионно связанного листа. Лист нагревали с целью испарения воды. Полученное формованное изделие, из которого удалена вода, нагревали со скоростью повышения температуры 1 С/мин до 450 С в печи с целью выгорания гидролизованного поливинилацетата, затем изделие нао гревали в печи при, 1550 С в течение

0,5 ч с целью спекания частиц А1 О>.

Прочность на изгиб полученного спеченного продукта составляла 274+

+ 10 МПа (Модуль Вейбулла 27).

Пример 6. Осуществляли как в примере 5, с той разницей, что композиция содержала, об, :

А1 0 52,82

Органический полимерный материал 17,59

Вода 29,57

Коэффициент трения этой композиции составлял О, 19, предел текучести — 0,26 МПа. Данная композиция могла формоваться с образованием когезионно связанного листа.

Формула изобретения

1. Композиция для изготовления керамических изделий, включающая порошкообраэный керамический материал иэ группы SiOq, A1 0, TiO, SiC и связующее,содержащее воду или глицерин и гидролизованный поливинилацетат или полиакриламид, о т л и ч а ю щ а я с я тем,что, с целью получения изделий сложной формы с высокой прочностью, она содержит компоненты в следующем соотношении, об. :

Укаэанный керамический материал 50-63,8

Вода или глицерин 28-43,6

Гидролизованный поли 150544

3. Композиция по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что коэффициент вариации размера частиц

Составитель Н. Соболева

Техред М.Моргентал Корректор Н.Борисова

Редактор И. Рыбченко

Заказ 5271/58 Тираж 591 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 винилацетат или полиакриламид 6,4-17, 59 причем среднее значение отношения сторон частиц порошкообразного керамического материала не превышает

1,70, а коэффициент трения композиции не превышает 0,2 °

2. Композиция по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что частицы керамического материала имеют размер менее 5 мкм, преимущественно менее

1 мкм.

0 10 керамического материала находится в пределах 0-0,5.

4. Композиция пс пп. 1-3, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что среднее значение отношения сторон частиц порошкообраэного керамического материала не превышает 1,50.

5. Композиция по пп. 1-4, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что коэффициент вариации отношения сторон частиц керамического материала находится в пределах 0-0,5.

6. Композиция по пп. 1-5, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что коэффициент трения не превышает 0,1, преимущественно 0,05.