Керамический материал

Авторы патента:

КУНТЦ Майнхард (DE)

ШРЁТЕР Петер (DE)

ЯШИНСКИ Вольфганг (DE)

ЗОММЕР Фолькер (DE)

C04B35/119 - с оксидом циркония

Владельцы патента RU 2502705:

КЕРАМТЕК АГ (DE)

Изобретение относится к керамическим материалам, которые пригодны для динамических нагрузок и могут быть использованы для изготовления броней и плит при обстреле. Согласно изобретению керамический материал имеет следующий химический состав: от 24 до 25,5 вес.% ZrO₂, от 0,26 до 0,35 вес.% Сr₂О₃, от 0,50 до 0,60 вес.% Y₂О₃ по отношению к ZrO₂, от 0,7 до 0,85 вес.% SrO, от 0 до 0,5 вес.% ТiO₂ и от 0 до 0,5 вес.% MgO, а также Al₂O₃ в дополнение до 100 вес.%. В составе спеченного изделия в матрице из оксида алюминия находятся включения оксида циркония и пластинчатые кристаллиты алюмината стронция. Технический результат изобретения - повышение устойчивости к трещинам и повреждениям, повышение твердости материала. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к керамическому материалу, который пригоден, в частности для получения спеченного формованного изделия для динамических нагрузок.

Керамические материалы предоставляют множество возможностей использования. Их состав может быть подобран за счет целевых добавок определенных элементов и/или их соединений согласно предусмотренному в каждом случае использованию. Оксид алюминия и оксид циркония являются, например, керамическими материалами, которые перерабатываются отдельно или в комбинации друг с другом, среди прочего, в инструменты для резания, носители катализаторов или протезы.

Спеченные формованные изделия из керамических материалов являются хрупкими и поэтому, как правило, не пригодны для динамических нагрузок, вызванных, в частности, за счет вибраций или ударов.

Задачей изобретения является создание керамического материала, который пригоден для получения спеченных формованных изделий для динамических нагрузок.

Поразительным образом было показано, что материал, представляющий собой оксид алюминия, в составе, исполненном впоследствии в виде таблетки в металлокерамическом материале, пригоден в качестве рабочего вещества для спеченного формованного изделия со способностью к адсорбции энергии при динамической нагрузке. Тем самым этот материал пригоден, в частности, для получения спеченного формованного изделия для использования в качестве защитной керамики, также для изготовления деталей, при использовании которых требуется адсорбция энергии, как например, при защите брони, в частности, при обстреле плит.

Материал	Вес.%	Вес.%
ZrO₂	24,0	25,5
Сr₂О₃	0,26	0,35
Y₂O₃ (по отношению к ZrO₂)	0,50	0,6
SrO	0,70	0,85
ТiO₂	0	0,5
МgО	0	0,5
Оксид алюминия в соответствующем дополнении до 100 вес.%

Доминирующим элементом структуры такой комбинации материалов является оксид алюминия. Поэтому отличительные черты, определяющие свойства, спеченных формованных изделий полученных из заявленного материала, такие как твердость, модуль упругости и теплопроводность, близко подходят к свойствам чистого оксида алюминия. Сырьевые вещества используются предпочтительно высокой степени чистоты. В спеченных формованных изделиях, полученных из заявленного материала, за счет высокой степени чистоты сырьевых веществ граничные фазы зерен образуются в чрезвычайно незначительном объеме. Алюминат стронция образует характерные пластинчатые кристаллиты, бляшки, которые существенно способствуют повышению твердости.

Компоненты - оксид циркония и алюминат стронция - способствуют повышению устойчивости к трещинам, которая лежит примерно на 60% выше, чем в случае чистого оксида алюминия. За счет этих усиливающих компонентов повышается твердость почти в два раза, одновременно повышается устойчивость к повреждениям, то есть свойство детали сохранять при возможном повреждении также еще высокую остаточную твердость.

При высокой механической нагрузке спеченного формованного изделия, изготовленного из рассматриваемого материала, поразительным образом активируются механизмы, которые, например, замедляют или останавливает распространение трещин. Самым важным механизмом при этом является индуцируемое напряжением превращение оксида циркония из тетрагональной в моноклинную фазу. Увеличение объема оксида циркония, происходящее при превращении, вызывает образование локальных напряжений, которые противодействуют внешней растягивающей нагрузке и тем самым препятствует росту трещин.

За счет введенных бляшек поразительным образом изменяется направление распространения трещин, так что при распространении трещин адсорбируется дополнительная энергия.

В качестве особенности заявляемого спеченного формованного изделия, получаемого из рассматриваемого материала, следует указать, что оба механизма взаимно усиливают друг друга, так что эффективное повышение ударной вязкости разрушения даже больше, чем следовало бы ожидать за счет простого добавления отдельных механизмов

Предпочтительный состав материала и свойства получаемого из него спеченного формованного изделия приведен ниже:

Нагрузка, PL-заданные величины

ZrO₂

Y₂O₃

Сr₂O₃

SrO

ED 2000

4-Pkt-твердость

Мин BFK

Модуль Вейбулла

HV10

моно

K_lc

Размер зерен

вес.%

г/см³

МПа

МПа м^0,5

мк

мин

24,0

0,50

0,26

0,70

4,360

1000

700

1740

5,5

среднее

макс

25,5

0,65

0,35

0,85

≥

≤

≥

0,58

Содержание Аl₂О₃ дополняется от 72,65 вес.% до 74,54 вес.%

Примеси, обусловленные сырьем (<0,05 вес.-%), возможны, но из-за их ничтожной доли отдельно не приводятся.

Изготовление спеченных формованных изделий из заявляемого материала происходит с помощью обычной технологии для керамики. Основными стадиями процесса являются:

a) растворение смеси порошков согласно заданному составу в воде, использование дефлегматора для устранения седиментации;

b) гомогенизация в дизольвере (быстроработающая мешалка);

c) размалывание в шаровой мельнице с мешалкой, при этом происходит увеличение удельной поверхности смеси порошков (=измельчение);

d) добавление органических связующих;

e) распылительная сушка, при этом образуется сыпучий гранулят с определенными свойствами;

f) увлажнение гранулята водой;

g) осевое или изостатическое прессование;

h) снимающая стружку первоначальная обработка, при этом при принятии во внимание усадки при обжиге в значительной степени вырисовывается конечный контур;

i) предварительный обжиг, при этом усадка примерно до 98% теоретической плотности. Еще оставшиеся остаточные поры закрываются снаружи;

j) горячее изостатическое прессование при высокой температуре и высоком давлении газа, тем самым практически полное конечное уплотнение;

k) так называемый белый обжиг, тем самым неравновесие ионов кислорода в керамике, возникающее при горячем изостатическом прессовании, выравнивается;

l) твердая обработка за счет шлифования и полирования;

m) обжиг.

В результате формования из керамического материала изделия из оксидов алюминия и стронция in situ образуется алюминат стронция, который включен в матрицу оксида алюминия.

Свойства спеченного формованного изделия из заявляемого материала могут быть усилены еще за счет включений. Так, возможно перед формованием спеченного формованного изделия вмешать в материал монокристаллы стержневой формы и/или волокна или ввести в материал в первоначальном состоянии сетчатые структуры или ткань. Монокристаллы стержневой формы, волокна или сетка или ткань должны быть из материала, который не вступает с керамическим материалом каким-либо способом во взаимодействие, так что не наступает ухудшение его свойств. Такими материалами являются, например, карбиды, нитриды или карбонитриды металлов 4-ой и 5-ой побочной группы периодической системы элементов. Кроме того, материал во время спекания не должен изменяться каким-либо способом, так что материал не повреждается.

Спеченные формованные изделия, которые изготавливаются из заявляемого материала, поразительным образом объединяют, соответственно, самые лучшие свойства конкурирующих друг с другом керамических материалов - оксида алюминия и оксида циркония, в частности для использования в качестве защитной керамики: твердость, устойчивость к старению, свойства смачиваемости по отношению к воде и высокая теплопроводность - это свойства, которые присущи спеченным формованным изделиям из оксида алюминия, высокая твердость и высокая ударная вязкость при образовании трещин, то есть устойчивость к повреждению - это свойства, которые присущи спеченным формованным изделиям из оксида циркония.

1. Керамический материал, отличающийся тем, что он содержит от 24 до 25,5 вес.% ZrO₂, от 0,26 до 0,35 вес.% Cr₂О₃, от 0,50 до 0,60 вес.% Y₂О₃ по отношению к ZrO₂, от 0,7 до 0,85 вес.% SrO, от 0 до 0,5 вес.% TiO₂ и от 0 до 0,5 вес.% MgO, а также Аl₂О₃ в дополнение до 100 вес.%.

2. Керамический материал по п.1, отличающийся тем, что материал дополнительно пронизан монокристаллами стержневой формы и/или волокнами или сетчатыми структурами или тканями из подходящих материалов, которые не вступают с керамическим материалом каким-либо способом во взаимодействие, так что не наступает ухудшение его свойств.

3. Спеченное формованное изделие, полученное из керамического формованного материала по п.1 или 2.

4. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что измеренная в 4 точках прочность при изгибе составляет ≥ 1000 МПа.

5. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что ударная вязкость при разрыве K_lс≥5,5 МПам^0,5.

6. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что модуль Вейбулла ≥7.

7. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что твердость HV10≥1740.

8. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что плотность ED2000≥4,360 г/см³.

9. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что в матрицу из оксида алюминия включены оксид циркония и алюминат стронция.

10. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что алюминат стронция находится в форме пластинчатых кристаллитов, бляшек.

11. Применение спеченного формованного изделия по одному из пп.3-10 для изготовления деталей со способностью к поглощению энергии при динамической нагрузке.

12. Применение спеченного формованного изделия по одному из пп.3-10 для изготовления броней, в частности, плит при обстреле.

Изобретение относится к получению пористого материала из керамики на основе оксида алюминия и может быть использовано в химической промышленности, в том числе в агрессивных средах при повышенных температурах, для изготовления носителей катализаторов, в водоподготовке, а также в медицине для изготовления пористых керамических имплантатов.

Способ получения циркониевого электрокорунда // 2425009

Изобретение относится к способу получения циркониевого электрокорунда, используемого для производства абразивного инструмента на гибкой основе и шлифкругов на органической связке.

Способ получения абразивных зерен и кристаллизатор для осуществления данного способа // 2199506

Изобретение относится к производству абразивного материала на основе циркониевого электрокорунда для обдирочного силового абразивного инструмента, в частности получению шлифовального зерна для изготовления этого инструмента.

Шихта для изготовления керамики // 2164503

Изобретение относится к производству керамики, а именно к составам шихты для изготовления керамики конструкционного и инструментального назначения. .

Способ получения абразивного зерна на основе циркониевого корунда // 2138463

Изобретение относится к области получения абразивных материалов. .

Шихта для изготовления композиционного материала // 576302

Шихта для изготовления ударостойкой керамики (варианты) // 2514068

Изобретение относится к области производства ударостойкой керамики и может быть использовано для изготовления керамических бронеэлементов. Технический результат изобретения - разработка шихты для изготовления керамического материала с твердостью и прочностью, достаточными, чтобы противостоять воздействию ударно-динамических нагрузок. Шихта для изготовления керамики содержит карбид кремния, α-оксид алюминия и оксидсодержащую добавку, которая представляет собой смесь оксидов. Согласно первому варианту шихта содержит, масс.%: карбид кремния 30-40, α-оксид алюминия 34-50, диоксид кремния 11,8-25,2, оксид железа (III) 0,25-0,4, оксид кальция 0,2-0,4, диоксид титана 0,2-0,4, оксид магния 0,02-0,4, оксид калия 1,2-3,8, оксид натрия 0,3-1,2. Согласно второму варианту, шихта содержит компоненты в следующем соотношении, масс.%: карбид кремния 20-35, α-оксид алюминия 30-60, оксид кальция 5,0-15,0, диоксид циркония 5,0-15,0, каолин 10,0-17,0. 2 н.п. ф-лы, 6 пр.

Износостойкий композиционный керамический наноструктурированный материал и способ его получения // 2525538

Изобретение относится к области технической керамики, в частности к износостойкому композиционному керамическому наноструктурированному материалу на основе оксида алюминия, который может быть использован для изготовления режущего инструмента и износостойких деталей для машиностроения. Предложенный керамический материал на основе оксида алюминия с объёмным содержанием компонентов: Al2O3 63-82%, TiCN 16-34%, ZrO2 2-3%, содержит фазу карбонитрида титана TiCN на границах зерен оксида алюминия и наноразмерные частицы диоксида циркония внутри зерен оксида алюминия. Фаза карбонитрида титана представлена наноразмерными частицами и частицами субмикронного размера. Дополнительно наноразмерные частицы TiCN и ZrO2 присутствуют на границах зерен оксида алюминия и частиц фазы TiCN субмикронного размера. Предложенный способ получения керамического материала, включает стадии помола, смешения компонентов после помола и спекания полученной смеси, причём скорость нагрева смеси до температуры спекания поддерживают постоянной в диапазоне 50-400 град/мин, а спекание осуществляют при температурах от 1450 до 1600°C, при воздействии электрических и/или электромагнитных полей под давлением. Технический результат изобретения - высокие показатели прочности, твердости, износостойкости материала, в том числе при повышенных температурах. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 11 пр., 2 табл., 1 ил.

Способ легирования алюмооксидной керамики // 2525889

Изобретение относится к технологиям получения керамических материалов, в частности к способам легирования керамики, и может быть использовано в области электротехники и машиностроения для изготовления высокопрочных керамических изделий. Техническим результатом изобретения является повышение прочности и снижение рассеяния прочности алюмооксидной керамики. Способ легирования алюмооксидной керамики включает получение заготовки из шликера, удаление технологической связки и обжиг. Согласно изобретению после удаления технологической связки заготовку пропитывают водным раствором нитрата цирконила ZrO(NO3)2×2Н2О, затем осуществляют ее нагрев с повышением температуры до 400°С. Последующий обжиг выполняют с равномерным нагревом заготовки до температуры 1600-1650оС в течение 12 часов, выдерживают при максимальной температуре до 1 часа и осуществляют равномерное охлаждение заготовки до комнатной температуры в течение 3-4 часов. 1 ил., 1 табл.

Композиционный керамический материал // 2529540

Изобретение относится к получению композиционного алюмоциркониевого керамического материала, который обладает плотной структурой и может применяться в медицине для изготовления имплантатов и медицинских инструментов. Композиционный керамический материал изготовлен на основе оксида алюминия в альфа-фазе с размером частиц менее 1,0 мкм и в качестве добавок содержит оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, в сочетании моноклинной и тетрагональной фаз, нанопорошок оксида алюминия и кордиерит. Нанопорошок оксида алюминия находится в сочетании альфа- и тэта-фаз с размерами частиц менее 100 нм. Нанопорошок оксида алюминия введен в количестве до 5%, а кордиерит - до 10%. Частицы оксида циркония имеют размер менее 0,8 мкм. Дополнительно в качестве добавки может быть введен нанопорошок оксида циркония в любой фазе в количестве от 0 до 5%. Композиционный керамический материал обладает более высокими механопрочностными показателями: прочность на изгиб выше 500 МПа, трещиностойкость 5,5-6 МПа·м0,5, прочность на сжатие 600-800 МПа. 1 з.п. ф-лы, 3 пр.

Способ получения керамического композитного материала на основе оксидов алюминия и циркония // 2549945

Изобретение относится к области производства керамических конструкционных и функциональных материалов. Для получения керамического композитного материала на основе оксидов алюминия и циркония проводят стабилизацию в тетрагональной фазе диоксида циркония механическим способом: смешивают в активаторе соль циркония и стабилизатор (соль редкоземельного элемента), затем смесь термообрабатывают при температуре 500-600°C в течение 1-3 часов. Содержание оксида редкоземельного элемента составляет 3-10 мол.% от содержания диоксида циркония в пересчёте на оксиды. В активаторе по отдельности измельчают полученный стабилизированный диоксид циркония и оксид алюминия с добавкой карбоната магния, затем их смешивают. Формование изделий производят методом осевого прессования при давлении 190-300 МПа, а обжиг проводят при температуре 1550-1600°C в течение 1-3 часов. Измельчение и смешивание всех компонентов выполняют в высокоскоростном активаторе при ускорении мелющих тел не менее 10 g. Мокрое измельчение смеси оксида алюминия и карбоната магния проводят до размера частиц менее 100 нм. Технический результат изобретения - получение керамики с повышенным коэффициентом трещиностойкости. 7 з.п. ф-лы, 3 пр.

Керамический композиционный материал, состоящий из оксида алюминия и оксида циркония в качестве основных компонентов, а также из диспергированной фазы // 2569525

Изобретение относится к композиционному материалу, состоящему из матрицы оксида алюминия и диспергированного в ней оксида циркония, и может быть использовано для изготовления искусственных протезов. Композиционный материал в качестве первой фазы содержит по меньшей мере 65 об.% оксида алюминия, в качестве второй фазы от 10 до 35 об.% оксида циркония, и дополнительную дисперсоидную фазу. Преимущественная часть оксида циркония, в пересчете на общее содержание оксида циркония, находится в виде тетрагональной фазы, при этом оксид циркония имеет средний размер частиц, составляющий от 0,1 до 0,5 мкм. Дисперсоидная фаза в качестве дисперсоидов содержит пластинки алюмината стронция, которые в связи с их кристаллической структурой способствуют деформациям сдвига на микроскопическом уровне. Доля химических стабилизаторов в указанном материале составляет для Y2O3≤1,5 мол.%, для CeO2≤3 мол.%, для MgO≤3 мол.% и для CaO≤3 мол.% в каждом случае в пересчете на содержание оксида циркония. Технический результат изобретения - уменьшение склонности материала к гидротермальному старению, повышение трещиностойкости и прочности. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 пр., 5 ил.

Аэрогели, кальцинированные изделия, изделия с кристаллической структурой и способы их получения // 2571151

Изобретение относится к аэрогелям, кальцинированным изделиям и изделиям с кристаллической структурой, содержащим ZrO2, и может найти применение в стоматологии. Способ получения аэрогеля включает стадии, на которых обеспечивают первый золь диоксида циркония, содержащий частицы кристаллического оксида металла, характеризующиеся средним размером первичных частиц не более чем 50 нанометров, добавляют радикально реакционно-способный модификатор поверхности к золю диоксида циркония с получением радикально полимеризуемого поверхностно-модифицированного золя диоксида циркония, добавляют инициатор радикальной полимеризации, нагревают с образованием геля, экстрагируют спирт, если присутствует, из геля посредством сверхкритической экстракции с получением аэрогеля. Получают монолитный аэрогель, содержащий органический материал и частицы кристаллического оксида металла, при этом количество частиц кристаллического оксида металла находится в диапазоне от 3 до 20 объемных процентов, исходя из общего объема монолитного аэрогеля, причем, по меньшей мере, 70 мольных процентов кристаллического оксида металла представляют собой ZrO2. Частицы на основе диоксида циркония получают в гидродинамическом реакторе 100, содержащем сырьевой резервуар 110, насос 120, трубчатый реактор 130, устройство охлаждения 160. Получаемый аэрогель может быть спечен в полностью плотный материал, что позволяет использовать его, в частности, для изготовления стоматологических реставрационных изделий и ортодонтических аппаратов. 11 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 9 табл., 34 пр.

Керамический композиционный материал, состоящий из оксида алюминия и оксида циркония в качестве основных компонентов // 2592319

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам, состоящим из оксида алюминия в качестве керамической матрицы и диспергированного в ней оксида циркония, и может быть использовано в медицинской промышленности для изготовления искусственных протезов, например ортезов и эндопротезов, или для изготовления имплантатов тазобедренных или коленных суставов. Композиционный материал в качестве первой фазы содержит по меньшей мере 65 об.% оксида алюминия и в качестве второй фазы от 10 до 35 об.% оксида циркония, причем оксид циркония, в пересчете на общее содержание оксида циркония, от 80 до 99%, находится в виде тетрагональной фазы, а общее содержание химических стабилизаторов для стабилизации тетрагональной фазы оксида циркония составляет менее 0,2 мол.%. Технический результат изобретения - повышение прочности и трещиностойкости изделий из композиционного материала. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

Способ получения керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения // 2592923

Изобретение относится к получению керамических композитов с нулевым коэффициентом термического линейного расширения, предназначенных для изготовления, в частности, запорных элементов нефтегазового комплекса. Техническим результатом изобретения является получение керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения (КТЛР) и высокими физико-механическими свойствами. Способ получения керамического композита включает приготовление порошковой смеси из оксида циркония и/или оксида алюминия, c наноструктурным вольфраматом циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%: вольфрамат циркония 5-15, оксид циркония и/или оксид алюминия - остальное, формование заготовки и спекание. Спекание проводят при температуре 1350-1550°C, затем дополнительно осуществляют закалку при температуре 1175-1200°C, с последующим охлаждением со скоростью 200-250°C/сек. Для приготовления порошковой смеси используют диоксид циркония, стабилизированный 3-5 мас. % Y2O3, с содержанием моноклинной фазы ZrO2 не более 10%. Формование заготовки проводят холодным или горячим прессованием. 3 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.

Способ получения плотной мелкозернистой керамики из композитного нанопорошка на основе оксидов алюминия, церия и циркония, синтезированного модифицированным золь-гель методом // 2610483

Изобретение относится к способу получения плотной мелкозернистой керамики из композитного порошка на основе оксидов алюминия, магния, церия и циркония и может быть использовано в производстве медицинской керамики для эндопротезирования, катализаторов и других изделий. Синтез порошкового полупродукта с фазовым составом 20,6 вес. % Ce0,09Zr0,91O2, 37,4 вес. % MgAl6O10 и 42 вес. % γАl2О3 проводят в водно-органической среде, используя нитраты в качестве источников металлов и моноэтаноламин - для формирования и стабилизации золей. Трехфазные композитные наночастицы с размерами менее 30 нм синтезируют путем последовательного нанесения Mg-содержащей субстанции и твердого раствора Ce0,09Zr0,91O2 из водно-органических золей на прокаленные при 900°С наночастицы γАl2О3, с последующей термообработкой при 500оС, что обеспечивает химическую и фазовую однородность порошка в целом. Синтезированный нанопорошок спекают методом горячего прессования в аргоне при 1450°С и давлении 30 МПа с получением плотной мелкозернистой керамики. Технический результат изобретения: полученная керамика имеет размер зерна 0,4-0,8 мкм и характеризуется высокой относительной плотностью до 98,8% и однородным химическим составом. 2 з.п. ф-лы, 21 ил., 2 табл., 6 пр.