Композиционный керамический материал

Изобретение относится к композиционным керамическим материалам, в частности к материалам, армированным дискретными частицами, для изготовления изделий, обладающих высокими прочностными свойствами. Техническим результатом изобретения является разработка композиционного керамического материала с высокой вязкостью разрушения. Композиционный керамический материал, включающий матрицу и упрочнитель, содержит в качестве матрицы ультрадисперсный порошок диоксида циркония (ZrO₂), а в качестве упрочнителя - армирующие частицы, полученные плазмохимическим методом из диоксида циркония (ZrO₂) и оксида алюминия (Al₂О₃) и имеет следующее соотношение матрицы и упрочнителя, об.%: армирующие частицы - 15-40, матрица - порошок диоксида циркония - остальное. Армирующие частицы содержат 20-50 об.% оксида алюминия (Al₂О₃). Размер армирующих частиц составляет 0,1-10 мкм. Свойства материала: предел прочности при изгибе σ_изг.=1100-1200 МПа; вязкость разрушения K_1c=10-15 МПа·м^1/2; твердость HV=12-14 ГПа. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к композиционным керамическим материалам, в частности к композиционным керамическим материалам, армированным дискретными частицами, и может быть использовано при изготовлении изделий, обладающих высокими прочностными свойствами, в частности высокой вязкостью разрушения.

Известен керамический материал (патент РФ №2035436, С04В 35/48, опубл. 20.05.1995) (1), содержащий, мол.%: диоксид циркония 87,0-87,2; диоксид церия 12-12,1; оксид кальция 0,8-1,0.

Недостатком данного известного керамического материала является то, что он, обладая высокой вязкостью разрушения, имеет недостаточно высокие прочностные характеристики.

Известен композиционный материал (патент РФ №2085543, С04В 35/486, опубл. 27.07.1997) для высокопрочной керамики на основе твердого раствора оксида железа и диоксида циркония, включающий моноклинный диоксид циркония и имеющий следующий состав, мас.%:

твердый раствор оксида железа и диоксида циркония 85-92;

моноклинный диоксид циркония 8-15,

при этом твердый раствор содержит 5.9-27.1 оксида железа.

Недостатком данного известного композиционного материала является то, что он также обладает недостаточно высокими прочностными характеристиками, в частности невысокой вязкостью разрушения.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения по совокупности существенных признаков является композиционный керамический материал, раскрытый в US 2005/0272591, кл. С04В 35/488, опубл. 08.12.2005 (2).

Известный керамический композиционный материал из ZrO₂-Al₂O₃, включающий фазу ZrO₂, состоящую на 90% или более из тетрагонального ZrO₂, и фазу Al₂О₃, причем доля фазы Al₂O₃ в композиционном материале составляет 20-70% от объема. Композиционный материал состоит из зерен, каждое из которых имеет следующую структуру: зерно Al₂O₃ содержит в себе мелкое зерно ZrO₂ и при этом само заключено в зерне ZrO₂.

Недостатком данного известного композиционного материала (2) является то, что известный материал получают технологически сложным способом, связанным с наличием множества дополнительных операций, например сушкой осадка геля порошков, кальцинированием смеси порошков в кислородосодержащей атмосфере и т.д., при достижении свойств у известного материала не выше предлагаемого.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка композиционного керамического материала из ультрадисперсного порошка диоксида циркония и армирующих керамических частиц, образованных из диоксида циркония и оксида алюминия плазмохимическим методом. При реализации предлагаемого изобретения будет получен композиционный керамический материал с улучшенными механическими свойствами, в частности с высокой вязкостью разрушения.

Для достижения указанного технического результата композиционный керамический материал, включающий матрицу и упрочнитель, содержит в качестве матрицы ультрадисперсный порошок диоксида циркония (ZrO₂), а в качестве упрочнителя - армирующие частицы, полученные плазмохимическим методом из диоксида циркония (ZrO₂) и оксида алюминия (Al₂О₃), и имеет следующее соотношение матрицы и упрочнителя, об.%:

упрочнитель - армирующие частицы - 15-40,

матрица - порошок диоксида циркония - остальное,

при этом армирующие частицы содержат 20-50 об.% оксида алюминия (Al₂О₃).

Размер армирующих частиц составляет 0.1-10 мкм.

Для получения высокопрочного композиционного керамического материала, помимо ультрадисперсного порошка диоксида циркония используют 15-40 об.% армирующих частиц, полученных плазмохимическим методом из диоксида циркония (ZrO₂) и оксида алюминия (Al₂O₃)

При содержании армирующих частиц менее 15 об.% композиционный керамический материал не будет обладать достаточными прочностными характеристиками.

При содержании армирующих частиц более 40 об.% композиционный керамический материал будет хрупок и не будет обладать высокой вязкостью разрушения.

Кроме того, армирующие частицы, образованные плазмохимическим методом из диоксида циркония и оксида алюминия, должны содержать от 20 до 50 об.% оксида алюминия.

При содержании оксида алюминия менее 20 об.% в армирующих частицах их твердость недостаточна.

При содержании оксида алюминия более 50 об.% в армирующих частицах их твердость высока, но резко увеличивается хрупкость, а следовательно, снижается вязкость разрушения предлагаемого композиционного керамического материала.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Проводят приготовление смеси матричного порошка с армирующими частицами упрочнителя дисперсностью 0.1-10 мкм, формование заготовки из приготовленной смеси в стальной пресс-форме под давлением 200-300 МПа. Затем отформованную заготовку подвергают горячему прессованию, которую проводят при температуре 1350-1550°С и давлении 50-100 МПа с выдержкой 30-60 минут до получения необходимого плотного материала.

Приготовление смеси матричного порошка с армирующими частицами упрочнителя осуществляют путем смешивания исходных компонентов: ультрадисперсного порошка диоксида циркония и армирующих частиц.

Формуют заготовку в металлической пресс-форме при давлении 200-300 МПа. Этот интервал давления выбран из тех условий, что оно обеспечивает достаточную плотность и прочность заготовки для осуществления дальнейших технологических операций. Горячее прессование проводят в графитовой пресс-форме при температуре 1350-1550°С и давлении 50-100 МПа. Эти технологические параметры необходимы для достижения максимальной плотности получаемого материала.

Примеры конкретного выполнения.

Пример №1.

Берут ультрадисперсный порошок диоксида циркония с размером частиц 0.1-0.5 мкм в количестве 70 об.%, добавляют к нему армирующие частицы упрочнителя дисперсностью 0.1-10 мкм, образованные плазмохимическим методом из диоксида циркония и оксида алюминия (в соотношении 25% Al₂O₃ и 75% ZrO₂) (ТУ 2320 - 001 - 07622928 - 96) в количестве 30%, смешивают, помещают порошковую смесь в металлическую пресс-форму, формуют заготовку при давлении 200 МПа. Затем заготовку подвергают горячему прессованию в графитовой пресс-форме при температуре 1550°С и давлении 50 МПа. При этом время выдержки при горячем прессовании составляет 30 минут. По окончании выдержки отключают нагрев и производят охлаждение изделия.

Пример №2.

Берут ультрадисперсный плазмохимический порошок диоксида циркония с размером частиц 0.1-0.75 мкм в количестве 85%, добавляют к нему армирующие частицы дисперсностью 0.1-10 мкм из диоксида циркония и оксида алюминия (в соотношении 35% Al₂O₃ и 65% ZrO₂) в количестве 15%, смешивают и помещают порошковую смесь в металлическую пресс-форму, формуют заготовку при давлении 300 МПа. Затем заготовку подвергают горячему прессованию в графитовой пресс-форме при температуре 1350°С и давлении 100 МПа. При этом время выдержки при горячем прессовании составляет 60 минут. По окончании выдержки отключают нагрев и производят охлаждение изделия.

Пример №3.

Берут ультрадисперсный порошок диоксида циркония с размером частиц 0.1-0.75 мкм в количестве 60 об.%, добавляют к нему армирующие частицы дисперсностью 0.1-10 мкм из диоксида циркония и оксида алюминия (в соотношении 50% Al₂O₃ и 50% ZrO₂) в количестве 40 об.%, смешивают и помещают порошковую смесь в металлическую пресс-форму, формуют заготовку при давлении 250 МПа. Затем заготовку подвергают горячему прессованию в графитовой пресс-форме при температуре 1400°С и давлении 80 МПа. При этом время выдержки при горячем прессовании составляет 50 минут. По окончании выдержки отключают нагрев и производят охлаждение изделия.

Предложенное техническое решение позволяет получать композиционный керамический материал, обладающий повышенными механическими свойствами, а именно:

предел прочности при изгибе σ_изг.=1100-1200 МПа;

вязкость разрушения K_1c=10-15 МПа·м^1/2;

твердость HV=12-14 ГПа.

1. Композиционный керамический материал, включающий матрицу и упрочнитель, отличающийся тем, что он содержит в качестве матрицы ультрадисперсный порошок диоксида циркония ZrO₂, а в качестве упрочнителя - армирующие частицы, полученные плазмохимическим методом из диоксида циркония ZrO₂ и оксида алюминия Al₂O₃, и имеет следующее соотношение матрицы и упрочнителя, об.%:

армирующие частицы	15-40
порошок диоксида циркония	остальное

при этом армирующие частицы содержат 20-50 об.% оксида алюминия Al₂О₃.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что размер армирующих частиц составляет 0,1-10 мкм.