Керамический материал с низкой температурой спекания на основе системы диоксида циркония - оксида алюминия - оксида кремния

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе ZrO2-Al2O3-SiO2. Разработанные материалы могут быть использованы для получения огнеупорных изделий, высокотемпературных деталей машин и печного оборудования. Керамический материал имеет следующий химический состав, мас.%: Al2O3 53-61, ZrO2, стабилизированный Y2O3, 26-36, SiO2 6-16, MnO 1-5. Материал спекается до плотного состояния при низкой температуре 1250-1350°С, что стало возможным в результате использования добавки оксида марганца. Полученный материал характеризуется мелкокристаллической структурой, низкой пористостью и высокими механическими характеристиками - прочностью при изгибе от 270 МПа до 420 МПа при 1250°С и 1350°С, соответственно. 1 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе системы диоксида циркония - оксида алюминия - оксида кремния (ZrO2-Al2O3-SiO2).

Материалы системы ZrO2-Al2O3-SiO2 нашли применение в огнеупорных и высокотемпературных деталях машин и печного оборудования вследствие стойкости к термическому удару и высоким механическим свойствам. Однако эти материалы имеют высокие температуры спекания 1550-1650°С, что приводит к необходимости использования специального дорогостоящего термического оборудования. Решением проблемы является использование близких по составу керамических материалов на основе тройной эвтектики ZrO2-Al2O3-SiO2 с низкой температурой плавления (эвтектика 31%ZrO2 - 58%Аl2O3 - 11%SiO2, Тпл=1710°С). Также для снижения температуры спекания вводят спекающие добавки, позволяющие получать плотные и прочные материалы ZrO2-Al2O3-SiO2 при более низкой температуре.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является керамический материал [Wahsh М. М. S., Khattab R. М., Awaad М. Thermo-mechanical properties of mullite/zirconia reinforced alumina ceramic composites //Materials & Design. - 2012. - T. 41. - C. 31-36] следующего состава: ZrO2 - 20,5%, Al2O3 - 66,8%, SiO2 - 10%, содержащий добавку MgO - 2,7%. Данный материал спекали в интервале температур 1300-1500°С. Минимальная пористость - около 5% - была достигнута при 1500°С, прочность при изгибе составляла 550 МПа. При более низких температурах спекания прочность резко снижалась, что объяснялось увеличением пористости материалов. Так, после спекания на 1400°С и 1300°С прочность материалов составляла 370 и 101 МПа при пористости около 30% и 35%, соответственно.

Технический результат изобретения заключается в создании материала на основе системы диоксида циркония - оксида алюминия - оксида кремния, спекающегося до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01 %) при низкой температуре 1250-1350°С, и характеризующегося высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 270 МПа при температуре спекания 1250°С, 310 МПа при 1300°С, 420 МПа при 1350°С.

Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония - оксида алюминия - оксида кремния, содержит добавку оксида марганца, способствующую спеканию при 1250-1350°С при следующих соотношениях компонентов в материале: добавка оксид марганца 1-5 масс. %, диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3-9 мол. %) - 26-36 масс. %, оксид алюминия - 53-61 масс. %, оксид кремния - 5-16 масс. %. Полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 270 МПа при спекании на 1250°С, не менее 350 МПа при спекании на 1300°С, не менее 420 МПа при спекании при на 1350°С, равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50 -100 нм при спекании на 1250°С, 50-200 нм при спекании на 1300°С, при спекании на 1350°С 100-300 нм и открытой пористостью не более 0,01 %.

Керамический материал указанного состава неизвестен. При спекании добавка оксида марганца образует низкотемпературный расплав за счет взаимодействия с оксидом кремния (температура плавления эвтектики около 1251°С), что способствует спеканию материала по жидкофазному механизму. В результате спекания до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01 %) становится возможным при низких температурах 1250-1350°С, получить материалы с высокими механическими свойствами. При температурах спекания более 1400°С происходит рост кристаллов, что приводит к снижению прочности. При температурах ниже 1100°С падение прочности происходит вследствие увеличения пористости. При использовании добавки менее 1 масс. % оксида марганца материал имеет высокую открытую пористость, что приводит к снижению прочности материала. При использовании добавки более 5 масс. % оксида марганца в материале в качестве второй фазы образуется большое количество жидкой фазы при спекании, что приводит к деформации керамического материала. При содержании оксида иттрия менее 3 мол. % образуется моноклинная модификация, а при более 9 мол. % кубическая модификация, содержание которых также снижает прочность материала. При выходе за указанные пределы содержания оксидов: диоксид циркония 26-36 масс. %, оксид алюминия 53-61 масс. %, оксид кремния 6-16 масс. % материалы имеют прочность ниже 270-420 МПа при спекании ниже 1350°С.

Пример. Керамику получали из нанодисперсных порошков состава 31 масс. % ZrO2 (диоксид циркония содержал 9 мол. % оксида иттрия) 56 масс. % Аl2О3 - 11 масс. % SiO2, удельная поверхность порошков была не менее 20 м/г. В порошки вводили оксид марганца в количестве 2 масс. % в виде порошка. Смешение проводили на планетарной мельнице в течение 30 минут до получения порошка с равномерным распределением добавки. Для получения образцов порошок прессовали в образцы в виде баночек размером 30×3×3 мм. Полученные образцы спекали при температуре 1300°С. В результате получали керамический материал, состоящий из 100% тетрагональной фазы. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 50-200 нм, открытой пористостью не более 0,01%, прочностью при изгибе 350 МПа.

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

Керамический материал с низкой температурой спекания на основе системы диоксида циркония - оксида алюминия - оксида кремния, отличающийся тем, что содержит добавку оксида марганца, при следующих соотношениях компонентов в материале, мас.%:

добавка оксид марганца 1-5
тетрагональный диоксид циркония
(содержание оксида иттрия 3-9 мол. %) 26-36
оксид алюминия 53-61
оксид кремния 6-16,

полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 270 МПа при спекании на 1250°С, не менее 350 МПа при спекании на 1300°С, не менее 420 МПа при спекании на 1350°С, равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50-100 нм при спекании на 1250°С, 50-200 нм при спекании на 1300°С, при спекании на 1350°С 100-300 нм и открытой пористостью не более 0,01%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии получения композиционной нанокерамики с высокими показателями микротвердости и прочности на изгиб, которая может найти широкое применение в различных областях современной техники.

Изобретение относится к биокерамической детали, которая может быть сформирована в виде протеза коленного, тазобедренного, плечевого сустава или в виде протеза сустава пальца руки.
Изобретение относится к керамическому материалу, который может успешно использоваться для получения режущих инструментов и свёрл для обработки пластмасс, армированных стекловолокнами и углеродными волокнами, или графита, а также для резки сплавов на основе никеля и продуктов черной металлургии.

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.

Изобретение относится к получению керамических композитов с нулевым коэффициентом термического линейного расширения, предназначенных для изготовления, в частности, запорных элементов нефтегазового комплекса.
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.

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.

Изобретение относится к композиционному материалу, состоящему из матрицы оксида алюминия и диспергированного в ней оксида циркония, и может быть использовано для изготовления искусственных протезов.
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.
Изобретение относится к получению композиционного алюмоциркониевого керамического материала, который обладает плотной структурой и может применяться в медицине для изготовления имплантатов и медицинских инструментов.

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно к добавкам, используемым при изготовлении гипсовых смесей и изделий на их основе с радиозащитными свойствами.
Настоящее изобретение относится к прокладке для изоляции ударных шумов на основе древесно-синтетического композитного материала. Прокладка для изоляции ударных шумов на основе древесно-синтетического композитного материала отличается тем, что синтетический материал в древесно-синтетическом композитном материале используют в виде термопластичного синтетического материала, в частности в виде термопластичных гранулированных материалов или синтетических волокон, при этом смесь древесных частиц и синтетического материала имеет соотношение компонентов смеси от 90 масс.

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к производству хромитопериклазовых материалов, предназначенных для футеровок агрегатов внепечной обработки стали и металлургических агрегатов, работающих в высокотемпературном режиме в контакте с агрессивной средой.

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при производстве звукопоглощающих перегородочных плит и панелей, звукопоглощающих строительных растворов для внутренних частей здания.
Изобретение относится к области производства строительных материалов, а именно - способам повышения прочности гипсовых изделий, и может найти применение при производстве стеновых блоков, плит, панелей, мелкоштучных изделий из гипса.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к материалам для скользящих электрических контактов, применяемых на электротранспорте. Способ изготовления материала для скользящих электрических контактов включает следующие этапы: (А) получение шихты на основе графита, кокса и коксообразующего связующего, где содержание графита составляет не менее 15% от массы шихты; (Б) формирование из шихты заготовки; (В) обжиг заготовки, обеспечивающий образование из связующего остаточного кокса, с получением пористой заготовки с открытой пористостью; (Г) газофазное термоградиентное насыщение заготовки со стадии (В) пиролитическим углеродом в реакционной камере путем импульсной подачи углеводородного газа и его разложения с образованием пиролитического углерода на поверхности открытых пор в движущейся зоне пиролиза и последующей его откачкой.

Изобретение относится к технологии получения соединений сложных оксидов со структурой граната, содержащих редкоземельные элементы, для применения в технологии синтеза оптических керамических материалов лазерного качества при создании активных тел твердотельных лазеров различной геометрии.

Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным растворам для цементирования обсадных колонн, газоконденсатных и нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву многолетних мерзлых пород.

Шпатлевка // 2707623
Изобретение относится к составам шпатлевок, применяемых для отделки бетонных и штукатурных поверхностей. Шпатлевка содержит, мас.%: золь кремниевой кислоты Nanosil 20 20–24, дисперсию стирол-акрилового полимера АКРАТАМ AS 04 1,2–1,8, мел 73–78, глицерин 0,8–1,2.
Изобретение относится к керамической и авиационной промышленности, а именно к изготовлению керамических изделий радиотехнического назначения. Предложенный способ изготовления керамических изделий включает измельчение сырья литийалюмосиликатного состава мокрым способом до получения шликера с параметрами плотности, тонины помола, рН, влажности и вязкости, формование изделий методом шликерного литья из водных шликеров в пористые формы и термообработку.

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе ZrO2-Al2O3-SiO2. Разработанные материалы могут быть использованы для получения огнеупорных изделий, высокотемпературных деталей машин и печного оборудования. Керамический материал имеет следующий химический состав, мас.: Al2O3 53-61, ZrO2, стабилизированный Y2O3, 26-36, SiO2 6-16, MnO 1-5. Материал спекается до плотного состояния при низкой температуре 1250-1350°С, что стало возможным в результате использования добавки оксида марганца. Полученный материал характеризуется мелкокристаллической структурой, низкой пористостью и высокими механическими характеристиками - прочностью при изгибе от 270 МПа до 420 МПа при 1250°С и 1350°С, соответственно. 1 пр., 1 табл.

Наверх