Способ получения керамического материала на основе хромита лантана
Владельцы патента RU 2361845:
Учреждение Российской академии наук Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (RU)
Изобретение относится к области получения высокотемпературных неметаллических материалов на основе хромита лантана, которые могут быть применены для изготовления высокотемпературных установок, работающих до 1850°С, и тепловыделяющих элементов для применения в окислительных средах. Технический результат изобретения - упрощение способа получения керамического материала на основе хромита лантана, повышение качества материала за счет снижения примесей. Способ получения керамического материала на основе хромита лантана включает приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксид лантана и/или лантан, оксид хрома VI, пероксид кальция, алюминий, хром, помещение формы из тугоплавкого материала с реакционной смесью в реактор СВС, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения под давлением газовой среды 0,2-10 МПа. Реакционная смесь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: оксид лантана 5,0-55,0; оксид хрома VI 15,0-52,0; пероксид кальция 5,0-20,0; алюминий 1,0-5,0; хром 3,0-12,0; лантан не более 55. В качестве материала формы используют кварц, графит и нержавеющую сталь, в качестве газовой среды используют воздух, азот или аргон. Между исходной смесью и стенкой формы размещают функциональный слой из материала, выбранного из ряда, включающего порошок хромита лантана, эквимолярную смесь порошков оксидов хрома III, лантана, алюминия и кальция, порошок целевого продукта. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области получения высокотемпературных неметаллических материалов, а именно керамических материалов на основе хромита лантана, которые могут быть применены для изготовления высокотемпературных печей и установок, работающих на воздухе до 1850°С, и для тепловыделяющих элементов, предназначенных для применения в окислительных средах.
Известен способ получения керамики на основе хромитов лантана или иттрия, включающий синтез оксидных материалов из смеси солей или соосажденных гидроксидов, смешение, прессование заготовок и их обжиг, при этом синтезируют материал с повышенным содержанием La2O3 или Y2O3, содержащий исходные компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| La2O3 или Y2O3 | 32,13-69,74 |
| СаО | 0,01-22,26 |
| Cr2О3 | 30,25-45,61 |
и материал с повышенным содержанием Сr2О3, содержащий, мас.%:
| La2O3 или Y2O3 | 0,01-23,17 |
| СаО | 18,27-38,07 |
| Сr3О3 | 47,34-76,13 |
которые смешивают в соотношении, обеспечивающем образование при обжиге твердого раствора хромита лантана или иттрия состава La(Y)1-хСахСrО3, где X=0,032-0,6, а обжиг ведут при 1300-1500°С в инертной газовой среде (SU 1121914 A1, С04В 35/42, 10.02.2006). Известное изобретение позволяет снизить температуру спекания, увеличить плотность и прочность керамики.
Недостатком известного изобретения является длительное время синтеза.
Известен способ изготовления электрического нагревателя из хромита лантана, модифицированного кальцием, с утолщенными токовыводными частями, который включает синтез хромита лантана из оксидов лантана и хрома с добавкой оксида кальция, измельчение исходного материала, формование активной и токовыводных частей из масс, содержащих крупнозернистую фракцию с размером зерен 0,5-1 мм не менее 25 мас.% и мелкозернистую фракцию с размером зерен менее 0,01 мм не менее 50 мас.%, где для активной части берут хромит лантана, модифицированный кальцием, состава Lа1-хСахСrО3, где х=0,05-0,15, а для токовыводных частей хромит лантана, модифицированный кальцием, состава Lа1-хСахСrО3, где х=0,15-0,30, причем в качестве мелкозернистой фракции берут хромит лантана, модифицированный кальцием, синтезированный путем взаимодействия оксидов лантана и хрома с добавкой оксида кальция в твердой фазе при температуре не выше 1250°С в присутствии кислородных солей лития, затем проводят обжиг и металлизацию токовыводных частей (RU 2121243 С1, Н05В 3/14, С04В 35/42, 1998.10.27).
Способ получения керамического материала на основе хромита лантана длителен по времени, требует значительного расхода энергии.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является многокомпонентный резистивный материал и шихта для получения резистивного материала, предназначенного для применения в окислительных средах. Сущность изобретения: материал включает кристаллические фазы в соотношении, мас.%: Lа1-хМхСr1-уМеуО3 55-96, Y2O3 3-40, YCr2O3 1-5. Шихта для получения материала включает, мас.%: La2O3 38,1-66,5, Сr2О3 14,4-25,2, Y2O3 4,0-45,0, Al2O3 0,3-4,2, один из компонентов группы, включающей СаО, MgO, Nd2O3, Се3О3 0,1-4,9 (RU 2104984 C1, С04В 35/42, С04В 35/50, 1998.02.20). Изобретение позволяет уменьшить испаряемость материала до 10-5-10-6 г/см2. В указанном изобретении описан также способ получения материала. Смешивают компоненты шихты в количестве в соответствии с формулой: оксид лантана (ОСТ 48-194-81), карбонат кальция (ГОСТ 4530-76), оксид хрома (III) (ТУ 6-09-4272-84) и оксид алюминия (ТУ 6-09-426-75). Приготовленную смесь подвергают термообработке обжигом при температуре 1300°С в течение 7 ч, например, в окислительной среде. Полученный порошок смешивают с оксидом иттрия (ТУ 48-4-524-90) и брикетируют. Синтез целевого керамического материала на основе хромита лантана-композиции проводят при температуре 1800°С в течение 2 ч.
Недостатком всех известных способов является длительность процесса и значительный расход электроэнергии.
Задачей предлагаемого изобретения является создание простого способа получения керамического материала на основе хромита лантана.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение способа, повышение качества материала за счет снижения содержания примесей.
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения керамического материала на основе хромита лантана в режиме горения включает приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксид лантана и/или лантан, оксид хрома VI, пероксид кальция, алюминий, хром, помещение из тугоплавкого материала реакционной смеси в реактор СВС, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения под давлением газовой среды 0,2-10 МПа, при этом реакционную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Оксид лантана | 5,0-55,0 |
| Оксид хрома VI | 15,0-52,0 |
| Пероксид кальция | 5,0-20,0 |
| Алюминий | 1,0-5,0 |
| Хром | 3,0-12,0 |
| Лантан | не более 55,0. |
В качестве материала формы используют кварц, графит и нержавеющую сталь, в качестве газовой среды используют воздух, азот или аргон, для устранения контакта целевого продукта с материалом формы, между исходной смесью и стенкой формы, размещают функциональный слой из материала, в качестве которого используют, по крайней мере, один, выбранный из ряда, включающего порошок хромита лантана, эквимолярную смесь оксидов хрома III, лантана, алюминия и кальция, порошок целевого продукта.
Сущность способа подтверждается примерами.
Пример 1.
Готовят реакционную смесь компонентов (шихту) из порошков со следующим соотношением компонентов, мас.%: оксид лантана (La2O3) 50, оксид хрома (СrО3) 15, пероксид кальция (СаО2) 16, алюминий (Аl) 3, хром (Сr) 12, лантан (La) 4. Общая масса шихты 1 кг.
Засыпают ее в реакционную форму из тугоплавкого материала, выполненного из графита. Снаряженную форму помещают в реактор СВС. В реакторе создают избыточное давление газовой среды 0,2 МПа, в качестве которой используют азот, воспламеняют смесь электрической спиралью для инициирования процесса горения. После завершения синтеза: реагирования компонентов реакционной смеси и остывания реакционной формы, целевой продукт извлекают из реактора и анализируют известными методами. Общее время синтеза, включая охлаждение и извлечение продукта, не превышает 1 часа.
Другие примеры представлены в таблице, с указанием состава шихты и состава конечного керамического оксидного материала.
В примере 2 состав шихты размещен в форму из нержавеющей стали с целью исключения контакта целевого продукта с материалом формы, между шихтой и стенкой формы помещают функциональный слой из порошка хромита лантана, в реакторе СВС создают избыточное давление аргона 5 МПа. Далее, как в примере 1.
В примере 3 состав шихты размещен в форму из кварцевого стекла с целью исключения контакта целевого продукта с материалом формы, между шихтой и стенкой формы помещают функциональный слой из эквимолярной смеси порошков оксидов хрома III, лантана, алюминия и кальция, в реакторе создают избыточное давление воздуха 10 МПа. Далее, как в примере 1.
В примере 4 все, как в примере 3, но между шихтой и стенкой формы помещают функциональный слой из порошка целевого продукта, полученного по любому из примеров 1-3.
Целевой продукт, полученный согласно заявляемой совокупности признаков формулы, представляет собой керамический оксидный материал на основе хромита лантана. По данным рентгенофазового анализа он представляет собой твердый раствор оксидов кальция и алюминия в хромите лантана, причем содержание хромита лантана составляет более 80%. Содержание примесей, в основном оксида лантана и хрома, находится на уровне следов и не превышает 0,5%. Полученный материал устойчив при спекании в атмосфере воздуха при температуре 1750°С в течение 3 ч.
Получение керамического материала в режиме горения в герметичном реакторе СВС снижает полностью унос целевого продукта, позволяет упростить способ его получения за счет снижения времени синтеза и расхода электроэнергии, получить высококачественный высокоплотный керамический материал на основе хромита лантана, который может быть использован для изготовления электрических нагревателей, высокотемпературных печей и установок, работающих на воздухе до 1800°С, а также для тепловыделяющих элементов, предназначенных для применения в окислительных средах.
| Таблица | ||||||||||
| № п.п. | Состав шихты, мас.% | Состав керамического оксидного материала, мас.% | ||||||||
| СаО2 | СrО3 | La2О3 | Аl | Сr | La | LaCrO3 | CaО | Аl2О3 | (La2O3, Cr2O3) | |
| 1. | 16 | 15 | 50 | 3 | 12 | 4 | 85 | 10 | 5 | следы |
| 2. | 5 | 25 | 55 | 5 | 10 | - | 90 | 3 | 7 | следы |
| 3. | 20 | 21 | - | 1 | 3 | 55 | 82 | 16 | 2 | следы |
| 4. | 10 | 52 | 5 | 2 | 3 | 28 | 89 | 8 | 3 | следы |
1. Способ получения керамического материала на основе хромита лантана в режиме горения, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксид лантана и/или лантан, оксид хрома VI, пероксид кальция, алюминий, хром, помещение формы из тугоплавкого материала с реакционной смесью в реактор СВС, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения под давлением газовой среды 0,2-10 МПа, при этом реакционную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Оксид лантана | 5,0-55,0 |
| Оксид хрома VI | 15,0-52,0 |
| Пероксид кальция | 5,0-20,0 |
| Алюминий | 1,0-5,0 |
| Хром | 3,0-12,0 |
| Лантан | не более 55 |
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газовой среды используют воздух, азот или аргон.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала формы используют кварц, графит и нержавеющую сталь.
4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что для устранения контакта целевого продукта с материалом формы, между исходной смесью и стенкой формы, размещают функциональный слой из материала, в качестве которого используют, по крайней мере, один, выбранный из ряда, включающего порошок хромита лантана, эквимолярную смесь оксидов хрома III, лантана, алюминия и кальция, порошок целевого продукта.
