Способ получения керамических образцов твердых растворов полуторных оксидов ванадия и хрома


C04B35 - Формованные керамические изделия, характеризуемые их составом (пористые изделия C04B 38/00; изделия, характеризуемые особой формой, см. в соответствующих классах, например облицовка для разливочных и плавильных ковшей, чаш и т.п. B22D 41/02); керамические составы (содержащие свободный металл, связанный с карбидами, алмазом, оксидами, боридами, нитридами, силицидами, например керметы или другие соединения металлов, например оксинитриды или сульфиды, кроме макроскопических армирующих агентов C22C); обработка порошков неорганических соединений перед производством керамических изделий (химические способы производства порошков неорганических соединений C01)

 

Изобретение относится к способу получения керамических образцов на основе оксида ванадия V2О3 , легированного оксидом хрома Cr2О3. Такая композиция в виде твердого раствора под действием температуры обладает скачкообразным фазовым переходом металл-изолятор или металл-полупроводник. Данные образцы могут быть использованы, как рабочие элементы для формирователей мощных электрических импульсов, бесконтактных размыкателей, терморизисторов и т. п. Способ получения керамических образцов твердых растворов полуторных оксидов ванадия и хрома включает перемешивание порошков оксидов с последующим довосстановлением в токе водорода и их формование, после чего образец помещают в форму, заполненную порошкообразной средой из нитрида бора, и производят изостатическое горячее прессование в вакууме при температуре нагрева 1400-1600oС и давлении 250-300 кг/см2. Техническим результатом изобретения является увеличение плотности образцов, сокращение времени технологического процесса и получение образцов с защитной пленкой. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к способу получения керамических образцов на основе оксида ванадия (III) - V2O3, легированного оксидом хрома (III) - Сr2О3. Такая композиция в виде твердого раствора под действием температуры обладает скачкообразным фазовым переходом металл-изолятор или металл-полупроводник. Данные образцы могут быть использованы как рабочие элементы для формирователей мощных электрических импульсов, бесконтактных размыкателей, терморезисторов и т.п.

Известен способ получения компактных образцов твердых растворов [см. H. Kuwamoto at. Al. "Electrical properties of the (V1-хСrх)2O3 system", Phys. Rev. B, vol.22, 6, pp.2626-2636, 1980. Образцы (V1-хСrх)2O3 с 0 х 1 были получены по следующей схеме: - восстановление V2O5 до V2О3 в атмосфере водорода при температуре Т = 1000oС; - перемешивание порошка V2O3 с порошком Сr2О3 в соответствующих количествах; - плавление смесей с использованием электрической дуги в атмосфере аргона.

Недостатками данного способа являются длительный временной режим процесса восстановления в токе водорода, длительный дорогостоящий процесс выращивания монокристаллов с использованием аргона и сложного оборудования. Образцы, полученные данным способом, не защищены от воздействия кислорода воздуха и при хранении могут окисляться.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения керамических образцов (см. европейский патент ЕР 0037859 "Материал с положительным температурным коэффициентом сопротивления, полученный спеканием, и способ его получения", кл. МПК Н 01 В 1/08, С 04 В 35/495, приоритет Швейцарии от 16.04.1980 г., опубл. 21.10.1981 г.). Способ получения керамических образцов твердых растворов полуторных оксидов ванадия и хрома, по прототипу включает перемешивание порошков оксидов с последующим довосстановлением в токе водорода и их формование. Сначала получают порошковую смесь, состоящую из V2O5, Сr2О3 и оксида, по меньшей мере, одного из элементов Fe, Cu, Ni или Со с величиной частиц от 0,1 до 2 мкм, затем перемешивают в течение 5 часов на планетарной мельнице в абсолютном спирте, находящемся в агатовом стакане, центрифугируют и высушивают в вакууме. Далее прокаливают в потоке водорода в течение 3 часов при температуре 600oС и в течение 5 часов при температуре 990oС. Формование производят прессованием под давлением 620 бар в таблетки. Окончательный образец получают спеканием в атмосфере водорода в течение от 3 до 20 часов в температурном диапазоне от 1340oС до 1460oС с последующим охлаждением в печи.

Недостатками способа по прототипу является недостаточная плотность образцов, полученных спеканием, очень большая длительность процесса от 16 до 30 часов (без учета времени получения абсолютного спирта и высушивания смеси в течение 16 часов в вакууме) и отсутствие защитной пленки у образцов, приводящее к изменению заданных свойств и разрушению.

При создании данного изобретения решалась задача создания керамических образцов, представляющих собой твердые растворы оксидов ванадия (III) и хрома (III), с заданными свойствами фазового перехода металл-изолятор или металл-полупроводник под действием температуры от 200 до 450 К.

Техническим результатом при решении данной задачи являлось: увеличение плотности образцов, сокращение времени технологического процесса и получение образцов с защитной пленкой.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом получения керамических образцов твердых растворов полуторных оксидов ванадия и хрома, включающим перемешивание порошков оксидов с последующим довосстановлением в токе водорода и их формование, новым является то, что после формования образец помещают в форму, заполненную порошкообразной средой и производят изостатическое горячее прессование в вакууме. Довосстановление оксидов в токе водорода производят при температуре (600-700)oС в течение (1-2) часов. Изостатическое прессование производят при температуре нагрева (1400-1600)oС в течение (20-90) минут при давлении (250-300) кг/см2 в вакууме не хуже 10-2 мм рт.ст. В качестве среды для передачи давления используют борсодержащий порошок, например, нитрид бора.

После операции формования образец по заявляемому способу подвергают изостатическому сжатию в порошковой среде, хорошо передающей давление. По сравнению с прототипом, где образцы подвергают просто спеканию без приложения давления в течение длительного времени - до 20 часов, при изостатическом прессовании увеличивается плотность образцов, т.к. активизируются процессы уплотнения порошков и тем самым значительно сокращается время образования твердого раствора - до 1 часа. Кроме того, в качестве среды, передающей давление, используют борсодержащий материал, нитрид бора, который в данных условиях в процессе прессования образцов образует на их поверхности тонкую защитную пленку из соединений VB2 и СrВ. Нитрид бора BN по своей структуре похож на тальк, чешуйчатый графит, на ощупь как смазка, мало активен при высоких температурах, плохо спекается и легко удаляется с образца после прессования. Защитная пленка, полученная реакцией замещения кислорода в оксидах на бор с образованием соединений VB2 и СrВ, позволяет хранить полученные образцы в обычных условиях (на воздухе), при этом они не окисляются, не разрушаются и сохраняют свои свойства. Изостатическое сжатие образцов производят горячим прессованием при температуре (1400-1600)oС. При температуре <1400С свойства образцов ухудшаются из-за низкой плотности, т.е. высокой пористости образцов. При температуре выше 1600oС увеличивается толщина защитной пленки, т.к. реакция взаимодействия оксидов ванадия и хрома с нитридом бора при таких температурах идет очень активно, что изменяет состав материла и ухудшает тем самым свойства образцов. Процесс изостатического прессования оптимально ведется в течение 1 часа. Если время менее 20 минут, то процесс спекания и образования твердого раствора не успевает завершиться, а при более чем 90 минут происходит нарастание толщины защитной пленки и изменение стехиометрии материала образца. При давлении менее 250 кг/см2 уменьшается плотность образца, а при давлении большем 300 кг/см2 разрушаются детали графитовой пресс-формы. Изостатическое прессование производят в вакууме с целью создания бескислородной среды во избежание окисления материала образцов. Кроме того, в вакууме извлекаются газы из пор образца, что позволяет достичь большей плотности образца при горячем изостатическом прессовании.

В примере реализации заявляемого способа оксид пятивалентного ванадия V2O5 помещают в кварцевую трубку в кварцевой лодочке и прокаливают (восстанавливают) в течение 1 часа в токе водорода при температуре 600oС, т. е. при температуре ниже температуры плавления для V2O5, которая для этого оксида (650-670)oС. Затем охлаждают в токе водорода, извлекают из трубки, перемешивают порошок или перетирают и вновь помещают в кварцевую трубку и проводят довосстановление при той же температуре 600oС еще в течение 1 часа. Контроль полноты восстановления осуществляют гравиметрическим (весовым) методом по убыли массы V2O5 и химическим фазовым (титриметрическим) анализом на содержание V (III), V(V), V(II). Затем порошок V2О3 смешивают с порошком Сr2О3 в необходимых соотношениях для получения твердого раствора (V1-хСrх)2O3 с х = 0,005-0,008. При х = 0,005 берут 99,47 мас.% V2О3 и 0,53 мас.% Сr2О3, а при х = 0,008 берут 99,19 мас.% V2О3 и 0,81 мас.% Сr2О3.

Порошки перетирают в агатовой ступке в течение 45 минут, помещают в кварцевой лодочке в кварцевую трубку и довосстанавливают в токе водорода в течение 1,5 часов при температуре 680oС с промежуточным перетиранием (прогревание в 2 приема), а далее охлаждают в токе водорода до комнатной температуры. Контроль состава осуществляют химическим методом на содержание трехвалентных хрома и ванадия. Формование производят холодным прессованием под давлением от 2000 кг/см2 до 3000 кг/см2. Образцы формовали в виде таблеток 75 мм, толщиной (1-2) мм или 1010 мм, толщиной 2 мм. Далее образец помещали в засыпку из нитрида бора в рабочий канал графитовой пресс-формы с графитовым пуансоном. Пресс-форму помещали в рабочую камеру индукционно-вакуумной установки горячего прессования. В рабочей камере с вакуумом 310-3 мм рт.ст. пресс-форму с заготовкой нагревали до 1500oС в течение 1 часа. При достижении 1500oС на пуансон прикладывали давление 250 кг/см2 и выдерживали это давление в течение 1 часа. После выдержки давление с пуансона снимали и пресс-форму охлаждали вместе с рабочей камерой. Из охлажденной пресс-формы извлекли готовый образец и очищали его от нитрида бора. При этом на поверхности образца остается защитная пленка из твердого соединения VB2 и СrВ.

Контроль осуществлялся измерением температурной зависимости электропроводности образца по четырехточечной методике [см. А. Кобус, Я. Тушинский. Датчики Холла и магниторезисторы. М., "Энергия", с. 76, 1971 г.]. Наличие фазового перехода металл-изолятор указывает на образование твердого раствора.

Таким образом, заявляемый способ получения керамических образцов оксидов ванадия и хрома (V1-хСrх)2O3 по сравнению с прототипом позволяет получить образцы с заданными свойствами фазового перехода металл-изолятор и металл-полупроводник, увеличить плотность образцов из твердого раствора, сократить время технологического процесса на 40 часов и получить образцы с защитной пленкой, позволяющей использовать их длительное время без ограничений по способу их хранения.

Формула изобретения

1. Способ получения керамических образцов твердых растворов полуторных оксидов ванадия и хрома, включающий перемешивание порошков оксидов с последующим довосстановлением в токе водорода и их формование, отличающийся тем, что далее образец помещают в форму, заполненную порошкообразной средой из нитрида бора и производят изостатическое горячее прессование в вакууме при температуре нагрева 1400-1600oС и давлении 250-300 кг/см2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что довосстановление оксидов в токе водорода производят при температуре 600-700oС в течение 60-120 мин.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что изостатическое прессование производят в вакууме не хуже 10-2 мм рт. ст.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что изостатическое прессование производят в течение 20-90 мин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к обработке материалов высоким давлением, в частности к получению керамики из порошка тугоплавкого материала и может быть использовано в машиностроительной и инструментальной промышленности

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано при горячем многостадийном прессовании огнеупорных изделий из различных огнеупорных материалов с высокой адгезией при высоких температурах прессования.Целью изобретения является снижение трудоемкости процесса

Изобретение относится к керамическим материалам на основе окислов титана и может быть использовано в производстве многослойных высокочастотных термостабильных керамических конденсаторов с электродами на основе сплава, содержащего Ag и Pd, а также в производстве микроволновых фильтров

Изобретение относится к керамическим материалам на основе цинкзамещенного ниобата висмута и может быть использовано в производстве многослойных высокочастотных термостабильных керамических конденсаторов с электродами на основе сплава, содержащего Ag и Pd, а также в производстве многослойных микроволновых фильтров

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано в производстве синтетических материалов для керамических диэлектриков

Изобретение относится к электронной технике, может быть использовано при изготовлении линейных датчиков температуры - терморезисторов с отрицательным коэффициентом электросопротивления, применяемых в системах аварийной сигнализации

Изобретение относится к материалам электронной техники и может быть использовано для изготовления термокомпенсирующих высокочастотных конденсаторов

Изобретение относится к материалам пьезотехники и может быть использовано в качестве пьезопреобразователя для датчиков, работающих в широком диапазоне температур и давлений

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материа лам и может быть использовано для создания высокочастотных электромеханических преобразователей, в частности в ультразвуковых линиях задержки , моночастотных резонаторах, работающих на толпцшньпс колебаниях, акселерометров , работающих в широком диапазоне температур

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано для создания высокочастотных электромеханических преобразователей, основанных на явлении пьезоэлектричества , в частности в ультразвуковых линиях задержки, моночастотных резонаторах li

Изобретение относится к пьезотехнике и предназначено для изготовления пьезоэлементов для вибропреобразователей , работающих при высоких температурах

Изобретение относится к производству керамических изделий пониженной плотности и может быть использовано для изготовления строительных материалов

Изобретение относится к огнеупорной промышленности

Изобретение относится к огнеупорной промышленности
Изобретение относится к области композиционных материалов, а точнее к алмазосодержащим композиционным материалам с высокой теплопроводностью и температуропроводностью
Наверх