Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе тетрагонального диоксида циркония и может быть использовано в качестве износостойких изделий, режущего инструмента, керамических подшипников, а также имплантатов для замещения костных дефектов. Керамический материал получают из шихты, содержащей, масс. %, 2-5 силиката натрия, 0,5-2 оксида железа и 93-97,5 тетрагонального диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Полученный материал характеризуется нанокристаллической структурой с размером кристаллов 50-100 нм, открытой пористостью не более 0,01% и высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 400 МПа. Технический результат изобретения - увеличение прочности материалов, спекающихся до плотного состояния при низкой температуре 1250°С, что стало возможным в результате совместного использования добавок силиката натрия и оксида железа. 1 табл.

 

Изобретения относится к области получения высокоплотной керамики на основе диоксида циркония. Плотные прочные керамические диоксида циркония тетрагональной модификации обладают высокой стойкостью к воздействию химических и биологической сред, высокими механическими свойствами, что позволяет их использовать в качестве износостойких изделий, различного режущего инструмента, в том числе, медицинских скальпелей, керамических подшипников, а также имплантатов для замещения костных дефектов.

Основным недостатком технологии керамики на основе диоксида циркония является высокая температура спекания 1700-1750 С [Андрианов, Н.Т., Балкевич, В.Л., Беляков, А.В., Власов, А.С., Гузман, И.Я., Лукин, Е.С., … & Скидан, Б.С. Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / Под ред. ИЯ Гузмана //М.: ООО Риф «Стройматериалы», 2012. - 496 с. - 2012].

Низкотемпературные керамические материалы с температурой спекания ниже 1400°С получают при использовании специальных дорогостоящих методов спекания (горячего и изостатического прессования) или за счет использования высокоактивных к спеканию ультрадисперсных порошков с высокой площадью удельной поверхностью и спекающих добавок, образующих расплав.

Так известен керамический материал тетрагональной модификации [М. Trunec and K. Маса Compaction and Pressureless Sintering of Zirconia Nanoparticles // J. Am. Ceram. Soc., 90 [9] 2735-2740 (2007)] с температурой спекания около 1100°С и относительной плотностью 99,1%. Низкая температура спекания и достижение относительной плотности 99,1% является следствием использования ультрадисперсных порошков с высокой с площадью удельной поверхности 123 м²/г. Недостатком данного материала является использование дорогостоящего оборудования для изостатического уплотнения при прессовании образцов, а также относительно низкая плотность материала, что приводит к снижению прочности.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является керамический материал тетрагональной модификации [патент

№2572101 «Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации»] с температурой спекания около 1150°С. Низкая температура спекания, достижение относительной плотности (открытая пористость не более 0,01%) и прочности до 350 МПа достигается за счет использования ультрадисперсных порошков 150 м²/г и применения добавки - силиката натрия в количестве 2-5 масс. %. Недостатком данного материала является низкая прочность материала. Это является следствием содержания в материале аморфной стеклофазы низкой прочности.

Технический результат изобретения заключается в создании материала на основе диоксида циркония тетрагональной модификации, спекающегося до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01%) при низкой температуре 1200-1250°С, и характеризующийся высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 400 МПа.

Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации, содержит добавку оксида железа, способствующую спеканию при 1200-1250°С при следующих соотношениях компоненты в материале: добавка силикат натрия 2-5 масс. %, добавка оксид железа 0,5-2 масс. %, тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3-9 мол. %) -остальное, полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 400 МПа, равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50-100 нм и открытой пористостью не более 0,01%.

Керамический материал указанного состава неизвестен. При спекании добавка -силикат натрия (температура плавления около 1080-1100°С) образует низкотемпературный расплав, что способствует спеканию материала по жидкофазному механизму. Добавка - оксид железа, в результате создания в решетке диоксида циркония дефектов, интенсифицируюет спекание и способствует плотному срастанию кристаллов. В результате спекание до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01%) становится возможным при низких температурах 1250°С, что позволяет получить высокие механические свойства (прочность при изгибе не менее 400 МПа). При температурах спекания более 1400°С происходит рост кристаллов, что приводи к снижению прочности. При температурах ниже 1100°С падение прочности происходит в следствии увеличении пористости. При использовании добавки менее 2 масс. % силиката натрия и менее 0,5 масс. % оксида железа материал имеет высокую открытую пористость, что приводит к снижению прочности материала. При использовании добавки более 5 масс. % силиката натрия в материале в качестве второй фазы остается непрочные соединения силиката натрия, содержание которых приводит к снижению прочности керамики. При содержании оксида железа более 5 масс. % происходит рост кристаллов керамики и как следствие прочность снижается. При содержании оксида иттрия менее 3 мол. % образуется моноклинная модификация, а при более 9 мол. % кубическая модификация, содержание которых также снижает прочность материала.

Пример. Керамику получали из нанодисперсных порошков диоксида циркония, содержащего 9 мол. % оксида иттрия, с удельной поверхностью 100 м²/г. В порошки вводили силикат натрия в количестве 5 масс. % в виде порошка и оксид железа 2 масс. %. Смешение проводили на планетарной мельнице в течение 30 минут до получения порошка с равномерным распределением добавки. Для получения образцов, порошок прессовали в виде балочек размером 30*3*3 мм. Полученные образцы спекали при температуре 1200°С. В результате получали керамический материал, состоящий из 100% тетрагональной фазы. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 50-100 нм, открытой пористостью не более 0,01%, прочностью при изгибе 400 МПа.

Были изготовлены образцы керамики, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.

з

Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации, содержащий добавку силикат натрия, отличающийся тем, что содержит добавку оксида железа, при следующих соотношениях компонентов в материале, масс. %:

добавка силикат натрия - 2-5,

добавка оксид железа - 0,5-2,

тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3-9 мол. %) - 93,0-97,5,

полученный материал характеризуется температурой спекания 1200-1250°С, прочностью при изгибе не менее 400 МПа, равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50-100 нм и открытой пористостью не более 0,01%.