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%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе тетрагонального диоксида циркония. Технический результат изобретения - увеличение прочности материалов, спекающихся до плотного состояния при низкой температуре 1300-1350°С.

Изобретение относится к технологии получения керамических композитов с улучшенными механическими, экологическими и декоративными характеристиками и может быть использовано для производства ответственных технических и/или декоративных и ювелирных изделий, таких как корпус часов, циферблат, а также в иных областях народного хозяйства.

Изобретение относится к области изготовления высокопрочных материалов, а именно керамики на основе оксида циркония, частично стабилизированной оксидом иттрия, и может быть использовано для производства размольных шаров, футеровочных пластин, подложек для спекания радиотехнического назначения, а также имплантатов для протезирования суставов человека.

Изобретение относится к области получения высокопрочной керамики алюминат-литиевого класса на основе оксида циркония, которая может использоваться для изготовления лопаток газовых турбин и блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение относится к области получения высокопрочной керамики алюминат-литиевого класса на основе оксида циркония. может использоваться для изготовления лопаток газовых турбин и блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т.п.

Изобретение относится к способам получения наноразмерного порошкообразного стабилизированного диоксида циркония и может быть использовано для изготовления вакуумноплотной наноструктурированной керамики: твердых электролитов, сенсоров полноты сгорания топлива, мембран для твердооксидных топливных элементов; наномодифицированных органических и неорганических материалов; порошковых покрытий на металлах.

Изобретение относится к способу изготовления плотной керамики для твердого электролита на основе полностью стабилизированного диоксида циркония и может быть использовано в твердооксидных топливных элементах, высокотемпературных электрохимических устройствах в качестве электролитических элементов.

Изобретение относится к производству композиционных материалов, преимущественно конструкционного назначения, и может быть использовано для изготовления теплозащитных слоистых композиционных изделий, предназначенных, например, для эффективной тепловой защиты аэрокосмических летательных аппаратов и их энергетических систем.

Изобретение относится к технологии получения пористого керамического материала и предназначено для получения искусственных эндопротезов костной ткани. Предложен способ получения пористого керамического биоматериала на основе диоксида циркония, включающий приготовление термопластичной смеси из дисперсного порошка диоксида циркония, стабилизированного 5 мас.% MgO, порообразователя и пластификатора с последующим формованием изделий и термообработкой.

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе тетрагонального диоксида циркония. Разработанные материалы могут быть использованы для получения износостойких изделий, режущего инструмента, керамических подшипников, медицинских нерезорбируемых имплантатов.

Группа изобретений относится к способу получения минеральной вяжущей композиции, в частности композиции бетона или строительного раствора. В способе получения минеральной вяжущей композиции, в частности композиции бетона или строительного раствора, предпочтительно имеющей плотность ≥1,0 кг/дм3, по меньшей мере один минеральный вяжущий материал смешивают с водой и при этом до и/или во время указанного смешивания минеральной вяжущей композиции вводят воздухововлекающий агент, представляющий собой смесь, содержащую восстанавливающий агент в форме частиц со средним диаметром частиц менее 25 мкм 0,1-10 мас.%, по меньшей мере один наполнитель, в частности карбонат кальция, 90-99,9 мас.%.

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано в качестве комплексной добавки в растворную смесь при производстве пенобетонов. Комплексная добавка для пенобетонной смеси содержит, мас.%: пенообразующую добавку на протеиновой основе 75-80, красную кровяную соль 20-25.

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано в качестве комплексной добавки в растворную смесь при производстве пенобетонов. Комплексная добавка для пенобетонной смеси содержит, мас.%: пенообразующую добавку на протеиновой основе 22-27, золь берлинской лазури 73-78.
Изобретение относится к области получения технических керамических материалов и направлено на получение мишеней-таблеток моносульфида самария, которые используют для магнетронного метода напыления микро- и нанопленок моносульфида самария как чувствительных элементов полупроводниковых тензодатчиков.

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для производства асфальтобетонной смеси, применяемой в качестве конструктивных слоев дорожной одежды.
Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно к способам изготовления известняковых строительных материалов и может быть использовано для изготовления стеновых материалов.

Настоящее изобретение относится к гидравлическому вяжущему, содержащему в частях массовых: (a) 40-70 частей портландцементного клинкера; (b) 30-60 частей зольной пыли; (c) необязательно до 30 частей неорганического материала, иного, чем клинкер или чем зольная пыль; (d) 2,5-15 частей сульфата натрия, выраженных в частях эквивалентов Na2O, по отношению к 100 частям зольной пыли; и (e) 2-14 частей сульфата кальция, выраженных в частях SO3, по отношению к 100 частям клинкера; зольная пыль, имеющая значение Dv97, равное или меньшее чем 40 мкм, и сумму значений (a), (b) и (c), равную 100.

Изобретение относится к способам получения полимербетонной смеси с использованием фурановых связующих, которая может применяться в качестве органо-минерального, бесцементного бетона, высокопрочных антикоррозионных балок, шпал, панелей, колонн и других элементов конструкций.

Изобретение относится к промышленности огнеупорных материалов и может быть использовано при изготовлении изделий из динасового жаростойкого бетона. Технический результат - повышение термической стойкости и водостойкости изделий из динасового жаростойкого бетона.

Группа изобретений относится к области фунгицидов, конкретно - к фунгицидным композициям против патогенных грибов, содержащим активные соединения из групп стробилуринов, диазолов и триазолов, которые применяются для увеличения урожайности растений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в атомно-силовой микроскопии для диагностирования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что магнитопрозрачный кантилевер соединен с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой, вершина которой подвижно соединена с помощью двух вложенных углеродных нанотрубок с магнитопрозрачной отделяемой и автономно функционирующей стеклянной сферой со сквозными нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками и магнитными наночастицами с одинаковой ориентацией полюсов структуры ядро-оболочка.

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.

Наверх