Способ получения титаната алюминия и изделие, изготовленное из него

Изобретение относится к способам получения высокотемпературных керамических материалов на основе титаната алюминия золь-гель методом и может быть использовано в автомобилестроении, машиностроении, при изготовлении композиционных материалов для космической и авиационной техники. Способ получения титаната алюминия золь-гель методом включает перемешивание алкоксида алюминия и изобутоксида титана, взятых в стехиометрических соотношениях, в водно-спиртовом растворителе до получения геля, сушку и двухступенчатую термообработку. В качестве алкоксида алюминия используют раствор диэтоксиэтилалюминия в толуоле, в качестве растворителя - водный раствор бутилового спирта. Перемешивание проводят в среде аргона при воздействии ультразвука частотой 30-70 Гц и температуры 25-75°С. Двухступенчатую термообработку проводят по режиму: 1-я ступень - при температуре 600-700°С в течение 2-2,5 часов, 2-я ступень - при температуре 1280-1300°С в течение 2-2,5 часов. Применение титаната алюминия в качестве матрицы композиционных материалов для изготовления изделий и покрытий повышает температуру эксплуатации, снижает вес конструкций, выполненных с использованием этих материалов. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к способам получения высокотемпературных керамических материалов на основе титаната алюминия золь-гель методом и может быть использовано в автомобилестроении, машиностроении, при изготовлении композиционных материалов для космической и авиационной техники.

Известен способ получения титаната алюминия методом твердофазового спекания смесей оксидов титана и алюминия, включающий помол смесей и их последующую термообработку при высоких температурах 1600-1800°С (Патент США 6197248).

Способ не позволяет получить однофазную керамику, так как в материале остается значительное количество непрореагировавших Аl₂О₃ и ТiO₂.

Известен способ получения титаната алюминия, включающий совместный помол оксида и нитрида титана и нитрида алюминия и последующий обжиг в кислородсодержащей атмосфере, при этом получают однофазный титанат алюминия (Патент РФ 2046782).

Недостатком способа являются повышенная температура получения титаната алюминия и повышенные значения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) керамических материалов, получаемых на его основе.

Известны способы получения порошков титаната алюминия, включающие обжиг совместно осажденных гидрооксидов алюминия и титана, получаемых из растворимых солей алюминия и титана - гомогенное химическое осаждение или из растворимых солей алюминия и технического или плазмохимического диоксида титана - гетерогенное химическое осаждение (Тарасовский В.П. Лукин Е.С. // Огнеупоры. - 1985. - №6. - С.24-31; Бобкова Н.М., Поповская Н.Ф. // Стекло и керамика, 2000, №12, с.16-20).

Способы не обеспечивают высокого выхода титаната алюминия и пониженных значений ТКЛР керамических материалов из титаната алюминия.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ получения титаната алюминия золь-гель методом с использованием в качестве алкоксидов изобутоксида титана и трибутоксида алюминия, растворяемых в водном растворе этилового спирта, включающий их перемешивание, сушку при 100°С и термообработку по двухступенчатому режиму: температура 1-ой ступени - 450°С, температура 2-ой ступени - 1300°С с выдержкой 10 часов (Патент США 5407479).

Изделиями на основе титаната алюминия, получаемыми по способу-прототипу, являются огнеупорные керамические материалы, используемые преимущественно в газотурбинных двигателях. Кроме того, данный способ позволяет получить защитное покрытие на керамических материалах на основе SiC и Si₃N₄.

Однако по способу-прототипу не удается получить монофазный, тонкодисперсный, однородный по дисперсности титанат алюминия, позволяющий получить керамические изделия и покрытия на его основе с пониженным значением ТКЛР.

Технической задачей изобретения является получение монофазного, тонкодисперсного, однородного по дисперсности порошка титаната алюминия, позволяющего изготовить керамические изделия и покрытия на его основе с пониженным значением ТКЛР.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ получения титаната алюминия золь-гель методом, включающий перемешивание алкоксида алюминия и изобутоксида титана, взятых в стехиометрических соотношениях, в водно-спиртовом растворителе до получения геля, сушку и двухступенчатую термообработку, в котором в качестве алкоксида алюминия используют раствор диэтоксиэтилалюминия в толуоле, в качестве растворителя - водный раствор бутилового спирта, перемешивание проводят в среде аргона при воздействии ультразвука и температуры. Двухступенчатую термообработку проводят по режиму:

1-я ступень - при температуре 600-700°С в течение 2-2,5 часов,

2-я ступень - при температуре 1280-1300°С в течение 2-2,5 часов.

Перемешивание проводят при воздействии ультразвука частотой 30-70 Гц и температуры 25-75°С.

Предложены также изделие, изготовленное из титаната алюминия, в котором титанат алюминия получен предлагаемым способом, и покрытие на основе титаната алюминия, нанесенное на подложку, в котором титанат алюминия получен предлагаемым способом.

Изделиями на основе титаната алюминия, получаемому по предлагаемому способу, являются, например, высокоогнеупорные тигли, различные детали наиболее теплонагруженных элементов авиационной и космической техники (головки поршня, части турбокомпрессора, клапаны изоляции и т.д.). Спеченный титанат алюминия используют в качестве матрицы для композиционных материалов, а также наполнителя в стеклокерамических материалах.

Покрытие на основе титаната алюминия наносят на керамическую подложку. Покрытие обладает повышенной трещиностойкостью при воздействии рабочих температур и высокой стойкостью к коррозии.

Таким образом, технический результат достигается в изобретении за счет выбора алкоксида алюминия, растворителя, условий перемешивания: в среде аргона при воздействии ультразвука и температуры и выбора режима термообработки геля, реализация которых позволяет получать монофазный, тонкодисперсный порошок титаната алюминия однородной дисперсности, изделия и покрытия на его основе с пониженным значением ТКЛР.

Технологические параметры способа получения титаната алюминия и его свойства представлены в таблице.

Примеры конкретного осуществления

Пример 1.

25% раствор диэтоксиэтилалюминия (C₂H₅)₂AlOC₂H₅ в толуоле смешивали в ультразвуковой ванне с изобутоксидом титана Тi[СН₃(СН₂)₃О]₄, взятых в количествах, соответствующих стехиометрическому составу Al₂TiO₅, в смесь добавляли водный раствор бутилового спирта, осуществляя перемешивание при воздействии ультразвука частотой 30 Гц и температуры - 25°С, перемешивание проводили в среде аргона до образования геля, далее гель подвергали сушке при 100°С и термообработке по двухступенчатому режиму: температура 1-ой ступени - 600°С, время выдержки - 2,5 часа для удаления органических составляющих; температура 2-ой ступени - 1300°С и время выдержки 2,5 часа. По данным рентгенофазового анализа процент выхода титаната алюминия составил 96%. По данным лазерного микроанализа размер частиц полученного порошка титаната алюминия составил 0,5-1,8 мкм, причем 80%-88% - частицы размером 1-1,5 мкм, что свидетельствует о высокой однородности по дисперсности, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) спеченного образца титаната алюминия, измеренный на вертикальном дилатометре, в интервале температур 25-500°С равен 5,0·10^-7 К^-1. Свойства полученного титаната алюминия приведены в таблице.

Примеры 2, 3 выполнены аналогично примеру 1, при этом технологические параметры примеров 2, 3 приведены в таблице.

Пример 4 выполнен по технологическим параметрам способа-прототипа в лабораторных условиях, идентичных предлагаемому способу.

Сравнительный анализ данных, приведенных в таблице, показал, что в предлагаемом способе выход титаната алюминия повысился в 1,3 раза, размер частиц уменьшился в 1,2-10 раз и керамические материалы, и покрытия, получаемые на основе титаната алюминия, имеют пониженный более чем в 6 раз ТКЛР.

Применение титаната алюминия в качестве матрицы композиционных материалов повышает температуру эксплуатации, снижает вес конструкций, выполненных с использованием этих материалов.

1. Способ получения титаната алюминия золь-гель методом, включающий перемешивание алкоксида алюминия и изобутоксида титана, взятых в стехиометрических соотношениях, в водно-спиртовом растворителе до получения геля, сушку и двухступенчатую термообработку, отличающийся тем, что в качестве алкоксида алюминия используют раствор диэтоксиэтилалюминия в толуоле, в качестве растворителя - водный раствор бутилового спирта, а перемешивание проводят в среде аргона при воздействии ультразвука и температуры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что двухступенчатую термообработку проводят по режиму:

1-я ступень - при температуре 600-700°С в течение 2-2,5 ч,

2-я ступень при температуре 1280-1300°С в течение 2-2,5 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемешивание проводят при воздействии ультразвука частотой 30-70 Гц и температуры 25-75°С.

4. Изделие, изготовленное из титаната алюминия, отличающееся тем, что титанат алюминия получен способом по любому из пп.1-3.

5. Покрытие на основе титаната алюминия, нанесенное на подложку, отличающееся тем, что титанат алюминия получен способом по любому из пп.1-3.