Способ получения высокотемпературной керамики на основе оксида иттрия

Авторы патента:

Кунгурцев Константин Вячеславович (RU)

C04B35/64 - способы обжига или спекания (C04B 33/32 имеет преимущество)

C04B35/6261 - Формованные керамические изделия, характеризуемые их составом (пористые изделия C04B 38/00; изделия, характеризуемые особой формой, см. в соответствующих классах, например облицовка для разливочных и плавильных ковшей, чаш и т.п. B22D 41/02); керамические составы (содержащие свободный металл, связанный с карбидами, алмазом, оксидами, боридами, нитридами, силицидами, например керметы или другие соединения металлов, например оксинитриды или сульфиды, кроме макроскопических армирующих агентов C22C); обработка порошков неорганических соединений перед производством керамических изделий (химические способы производства порошков неорганических соединений C01)

C04B35/505 - на основе оксида иттрия

C04B2235/3225 - Известь; магнезия; шлак; цементы; их составы, например строительные растворы, бетон или аналогичные строительные материалы; искусственные камни; керамика (кристаллизуемая стеклокерамика C03C 10/00); огнеупоры, обработка природного камня

Владельцы патента RU 2791771:

Общество с ограниченной ответственностью научно-производственная фирма "Экситон" (RU)

Изобретение относится к области производства высокотемпературных керамических изделий. Способ получения высокотемпературной керамики на основе оксида иттрия включает смешивание частиц оксида иттрия со связующим, формование изделий, сушку и отжиг. Частицы оксида иттрия представляют собой смесь порошка оксида иттрия с размером частиц 0,002 мм в количестве 9-18 вес.%, гранул оксида иттрия с размером частиц 0,05-0,15 мм в количестве 63-72 вес.% и гранул оксида иттрия с размером частиц 1,0-1,5 мм в количестве 12-21 вес.%, причём гранулы оксида иттрия получают в результате дробления материала, полученного путём плавки порошка оксида иттрия методом гарнисажа в тигле с температурой охлаждающей воды 22-32°С, и просеивания полученного дроблёного материала через сита с соответствующими размерами ячеек. Связующим материалом является водный раствор поливинилового спирта с концентрацией поливинилового спирта 1-8 вес.%. Сушку изделий проводят при температуре 120-300°С, отжиг на воздухе - при температуре 1250-1300°С и отжиг резистивным нагревом в высоком вакууме 10^-3-10^-5 Па при температуре 1900-2000°С. Технический результат изобретения – повышение устойчивости изделий к высоким температурам. 1 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 табл.

Область техники

Изобретение относится к области производства высокотемпературных керамических изделий, которые способны выдерживать высокие температуры, многократное нагревание и охлаждение без потери своих прочностных и теплоизоляционных характеристик. Изделия, имеющие предлагаемый состав, можно использовать в огнеупорной промышленности, теплотехнике, в качестве футеровки различных тепловых агрегатов.

Конкретно в нашем случае предполагается использование керамики на основе оксида иттрия, как керамических экранов в процессе производства монокристаллов алюмоиттриевого граната.

Уровень техники

Известна шихта для изготовления огнеупорного материала на основе диоксида гафния (патент РФ на изобретение №2569662, кл. МПК C04B 35/48, опубл. 27.11.2015), содержащая следующие компоненты, мол.%: Y2O3 - 5-10, Yb2O3 - 10-18, Nd2O3 -3-5, HfO2 - остальное.

Недостаток: использование дорогостоящего диоксида гафния, а также оксида иттербия и оксида неодима, как основы при изготовлении огнеупоров.

Известна также шихта для получения материала на основе стабилизированного нанопорошка диоксида циркония (патент РФ на изобретение №2463276, кл. МПК C04B 35/48, B82B 3/00, опубл. 10.10.2012), которая содержит, мас.%: оксид циркония ZrO2 75-82 и концентрат редкоземельных элементов 18-25. В состав концентрата входят редкоземельные элементы (преимущественно, церий, лантан, празеодим) в виде карбонатов.

Недостаток: наличие в составе керамики диоксида циркония, выгорание которого или попадание частиц керамики в технологический процесс производства монокристаллов алюмоиттриевого граната ухудшает лазерные свойства последнего.

Наиболее близким по технической сущности является керамический огнеупорный материал (патент РФ на изобретение №2760814, кл. МКТУ C04B 35/505, C04B 35/488, C04B 35/626, опубл. 30.11.2021), который содержит 14,8-45 масс. % оксида циркония, 6,8-8,54 масс. % по меньшей мере одного оксида редкоземельного металла, выбранного из группы: гадолиний, неодим, самарий, лантан, празеодим и диспрозий, оксид иттрия – остальное. Материал содержит оксид иттрия в виде частиц двух разных фракций, меньшая из которых составляет до 0,5 мкм, а большая – 20-250 мкм, оксид по меньшей мере одного редкоземельного металла (выбранного из группы: гадолиний, неодим, самарий, лантан, празеодим и диспрозий) в виде частиц фракции до 10,0 мкм и оксид циркония в виде частиц двух разных фракций, меньшая из которых составляет до 10,0 мкм, а большая – 600-710 мкм.

Недостаток: аналогично предыдущему примеру, в состав керамики входит диоксид циркония. Несмотря на то, что в данном составе его количественно меньше, чем в первом примере, возможное попадание частиц данной керамики в технологический процесс производства монокристаллов алюмоиттриевого граната так же негативно скажется на свойствах конечной продукции.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который достигается с помощью предлагаемого изобретения, заключается в повышении устойчивости изделий к высоким температурам, что обеспечивает повышение качества керамический изделий, имеющих предлагаемый состав.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения высокотемпературной керамики на основе оксида иттрия включает смешивание частиц оксида иттрия со связующим, формование изделий, сушку и отжиг, причем согласно изобретению, частицы оксида иттрия представляют собой смесь порошка оксида иттрия с размером частиц 0,002 мм в количестве 9-18 вес.%, гранул оксида иттрия с размером частиц 0,05-0,15 мм в количестве 63-72 вес.% и гранул оксида иттрия с размером частиц 1,0-1,5 мм в количестве 12-21 вес.%, причём гранулы оксида иттрия получают в результате дробления материала, полученного путём плавки порошка оксида иттрия методом гарнисажа в тигле с температурой охлаждающей воды 22-32°С, и просеивания полученного дроблёного материала через сита с соответствующими размерами ячеек, а связующим материалом является водный раствор поливинилового спирта с концентрацией поливинилового спирта 1-8 вес.%, сушку изделий проводят при температуре 120-300^оС, отжиг на воздухе – при температуре 1250-1300°С и отжиг резистивным нагревом в высоком вакууме 10^-3-10^-5 Па при температуре 1900-2000^оС.

Дробление гранул оксида иттрия может быть осуществлено в щековой дробилке или в другой дробилке любого типа.

Непосредственно для нашего направления работы преимущества использования керамики на основе оксида иттрия заключаются в следующем: а) высокая прочность на изгиб; б) сравнительно низкая теплопроводность; в) отсутствие в составе компонентов, снижающих качество выпускаемой продукции. Это достигается в основном за счёт того, что в качестве исходного сырья выступает однокомпонентная система, то есть используется материал одного вида (оксид иттрия).

Осуществление изобретения

Возможность использования огнеупорного материала в заявленных условиях достигается благодаря тому, что их состав представляет собой смесь частиц разных типоразмеров одного материала, а именно: порошок оксида иттрия с размером частиц ~0,002 мм (9 до 18 вес%), гранулы оксида иттрия с размером частиц 0,05-0,15 мм (63 до 72 вес%), гранулы оксида иттрия с размером частиц 1,0-1,5 мм (12 до 21 вес%). Второй и третий вид сырья получается в результате дробления в дробилке любого типа, позволяющей получить необходимый размер фракции материала, полученного путём плавки порошка оксида иттрия методом гарнисажа в холодном тигле (температура охлаждающей воды от 22 до 32⁰С) и просеивании полученного дроблёного материала через сита с соответствующими размерами ячеек. Связующим материалом служит водный раствор поливинилового спирта с концентрацией поливинилового спирта 1-8 вес%. Далее следуют этапы сушки (120-300⁰С), отжига на воздухе (1250-1300⁰С) и отжиг резистивным нагревом в высоком вакууме (10^-3-10^-5 Па, 1900-2000⁰С). Последовательность этих операций позволяет получить высокопрочный материал.

Пример реализации

Получение обозначенного состава высокотемпературной керамики на основе оксида иттрия проходит в несколько этапов.

1. Порошок оксида иттрия с размером частиц ~0,002 мм подвергали сплавлению методом гарнисажа в установке с холодным тиглем. Процесс плавления длился до тех пор, пока весь порошкообразный оксид иттрия в тигле не перешёл в расплав, после чего нагрев отключали, и спечённое сырьё остывало до комнатной температуры.

2. Полученное спечённое сырьё дробили при помощи щековой дробилки, после чего просеивали с целью отделения необходимых фракций – 0,05-0,15 мм и 1,0-1,5 мм. С сырьём больших фракций цикл дробления и просеивания проводили повторно с целью получения максимального количества сырья необходимого размера.

3. Далее происходило смешивание разных фракций исходного сырья в различном процентном соотношении с добавлением в эту смесь раствора поливинилового спирта. Процентное соотношение фракций сырья и концентрация раствора поливинилового спирта указаны в таблице 1.

Таблица 1.

№ смеси	Состав смеси, %	Концентрация раствора ПВС, %
Оксид иттрия, фракция ~0,002мм	Оксид иттрия, фракция 0,05-0,15 мм	Оксид иттрия, фракция 1,0-1,5 мм
1	10	69	21	7
2	13	67	20	6
3	15	68	17	4
4	18	70	12	2

Для проведения испытаний физической (на излом) и термической стойкости изделий из полученного состава при помощи ранее подготовленных пресс-форм были сформованы заготовки в виде дисков диаметром 200 мм и высотой 20 мм. Далее были проведены этапы сушки при температуре от 200 до 300⁰С, отжига на воздухе при температуре от 1250 до 1300⁰С и отжига в вакууме при температурах от 1900 до 2000⁰С. Полученные в результате изделия обладали высокой прочностью на излом, а также необходимым запасом стойкости под воздействием высоких температур, как в вакууме, так и в атмосфере инертных газов. Конкретно были проведены процессы нагрева в течение суток до температуры 2050⁰С, выдержки при этой температуре в течение семи дней и остывания до нормальных условий в течение двух суток полученных дисков. После 35 таких циклов в изделиях появлялись трещины, делая заготовки не пригодными для дальнейшего использования.

Таким образом, заявленный способ получения высокотемпературной керамики позволяет повысить устойчивость получаемых керамических изделий к высоким температурам.

Сопоставительный анализ заявленного состава высокотемпературной керамики показывает, что совокупность его существенных признаков неизвестна из уровня техники и, значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».

В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного состава и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».

Приведённые сведения подтверждают возможность применения заявленного состава при производстве высокотемпературных керамических изделий, которые способны выдерживать высокие температуры, многократное нагревание и охлаждение без потери своих прочностных и теплоизоляционных характеристик, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».

1. Способ получения высокотемпературной керамики на основе оксида иттрия, включающий смешивание частиц оксида иттрия со связующим, формование изделий, сушку и отжиг, отличающийся тем, что частицы оксида иттрия представляют собой смесь порошка оксида иттрия с размером частиц 0,002 мм в количестве 9-18 вес.%, гранул оксида иттрия с размером частиц 0,05-0,15 мм в количестве 63-72 вес.% и гранул оксида иттрия с размером частиц 1,0-1,5 мм в количестве 12-21 вес.%, причём гранулы оксида иттрия получают в результате дробления материала, полученного путём плавки порошка оксида иттрия методом гарнисажа в тигле с температурой охлаждающей воды 22-32°С, и просеивания полученного дроблёного материала через сита с соответствующими размерами ячеек, а связующим материалом является водный раствор поливинилового спирта с концентрацией поливинилового спирта 1-8 вес.%, сушку изделий проводят при температуре 120-300°С, отжиг на воздухе – при температуре 1250-1300°С и отжиг резистивным нагревом в высоком вакууме 10^-3-10^-5 Па при температуре 1900-2000°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дробление гранул оксида иттрия осуществляют в щековой дробилке.

Изобретение относится к конструкционным, электротехническим и теплозащитным материалам и предназначено для его использования в теплонагруженных изделиях и конструкциях радиотехнического назначения. Способ получения многослойного термостойкого радиотехнического материала включает смешение алюмохромфосфатного связующего марки Фоскон-351 с порошком белого электрокорунда, нанесение полученной композиции на кварцевую и многослойную кремнеземную стеклоткани, аппретированные спирто-ацетоновым раствором кремнийорганической смолы КМ-9К.

Способ получения керамического композита на основе нитрид кремния-нитрид титана // 2784667

Изобретение относится к способу получения керамического композита на основе нитрида кремния (Si3N4), содержащий нитрид титана (TiN), который может быть использован в производстве бронематериалов и изоляционных материалов. На первой стадии процесса смешивают нитрид кремния, нитрид титана и металлический титан в планетарной мельнице в присутствии изопропанола.

Способ спекания изделий из циркониевой керамики // 2784262

Изобретение относится к технологии материалов, а именно, к технологии керамических материалов, и может быть использовано при изготовлении керамических изделий различной формы из циркониевой керамики. Порошковый керамический материал компактируют, размещают компакт на подложке из тугоплавкого материала в вакуумной камере, создают в ней давление остаточных газов от 5 до 20 Па, нагревают компакт и подложку электронным излучением до температуры спекания от 1300 до 1350 °С, выдерживают под действием излучения при этой температуре в течение 20 мин, при этом контролируют температуру компакта со стороны воздействия электронного излучения и с противоположной стороны.

Способ получения газокерамических материалов // 2780914

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к ячеистым керамическим изделиям, и может быть использовано при изготовлении элементов ограждающих строительных конструкций. Способ получения строительных газокерамических материалов включает приготовление шихты путем смешивания воды, газообразователя – перекиси водорода и разжижающе-флюсующей добавки – сухого карбоната натрия с аморфной кремнеземистой породой – размолотой до порошкообразного состояния с величиной удельной поверхности частиц 5000-7000 см2/г опокой, загрузку полученной массы в пластиковую форму, установленную на виброплощадке, вспенивание массы при воздействии вибрации в течение 3-5 мин, извлечение пористого сырца из формы, его сушку и обжиг при температуре 900-920°C, при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанная опока 64,5-65,3, указанная добавка 0,6-0,8, указанный газообразователь 1,3-2,4, вода – остальное.

Способ получения волокон смешанного шпинельно-гранатового состава // 2776286

Изобретение относится к способам получения волокон смешанного оксидного состава MgAl2O4/Y3Al5O12 для создания высокотемпературных керамокомпозитов с улучшенными механическими свойствами. Способ заключается в расплавном формовании полимерных волокон при 80-180°С из волокнообразующих органомагнийоксаниттрийоксаналюмоксанов с мольным отношением Al/Y 5,8-6,0 и Al/Mg 2,4-2,5 с дальнейшей ступенчатой термообработкой в атмосфере воздуха при 500 и 1500°С, при которой образуются керамические волокна смешанного оксидного состава: MgAl2O4 и Y3Al5O12.

Способ получения люминесцирующей наноразмерной оптически прозрачной керамики mgal2o4 // 2775450

Изобретение относится к области технологии оптической оксидной нанокерамики на основе алюмомагниевой шпинели (MgAl2O4), полученной в условиях термобарической закалки, и может быть использовано в качестве функционального материала устройств оптоэлектроники и фотоники, таких как спектрально перестраиваемый люминофор, рабочее вещество для рс-WLEDs (phosphor-converted white light-emitting diodes), производства оптических сенсоров датчиков, чувствительных к УФ спектральному диапазону.

Способ получения углеграфитовых изделий // 2775447

Изобретение относится к области получения углеграфитовых изделий и может быть использовано при производстве крупногабаритных электродов для электрометаллургии, в технологии ядерного топлива и порошковой металлургии. Способ получения углеграфитовых изделий включает комплектование и приготовление сырья, дробление сырья вальцовыми дробилками, прокаливание при температуре 1260°С, размол, фракционирование, подогрев до 130-150°С, смешивание с каменноугольным пеком, прессование, охлаждение до +35°С, тестирование измерением объёмного электросопротивления с выводом брака из технологического процесса и подачей его на повторное дробление, обжиг годных заготовок при температуре 1265°С в течение 18 суток, механообработку, тестирование ультразвуковым сканированием, определяющее наличие брака, который также возвращают на операцию дробления, чистовую механообработку годной продукции, подачу готовой продукции на склад.

Способ спекания смеси порошков al2o3 и aln // 2775445

Изобретение относится к технологии получения поликристаллической керамики на основе оксинитрида алюминия с достаточной степенью прозрачности в оптическом диапазоне, которая может быть использована в производстве защитных устройств, электронике и других областях техники. Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение получения поликристаллической керамики и изделий на нее с относительной плотностью выше 98%, прочностью порядка 170-220 МПа и твердостью в диапазоне 1700-1800 HV.

Способ получения биоактивной керамики на основе диоксида циркония // 2771017

Изобретение может быть использовано в травматологии, ортопедии, регенеративной медицине, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии для восстановления функциональной целостности костной ткани. Способ получения биоактивной керамики на основе диоксида циркония включает термическую обработку смеси, содержащей цирконий и компоненты стекла.

Способ получения порошка, содержащего оксид урана uo2, при необходимости оксид плутония puo2 и при необходимости оксид америция amo2 и/или оксид другого минорного актиноида // 2770610

Изобретение относится к технологии получения порошка, содержащего оксид урана UO2, при необходимости оксид плутония PuO2 и при необходимости оксид америция AmO2 и/или оксид другого минорного актиноида МО2, где М означает нептуний или кюрий. Способ включает а) стадию приготовления водной суспензии путем контактирования воды, порошка оксида урана UO2, при необходимости порошка оксида плутония PuO2 и при необходимости порошка оксида америция АmO2 и/или порошка оксида другого минорного актиноида МО2, где М означает нептуний или кюрий, по меньшей мере одной добавки, выбранной из антикоагулянтов, органических связующих или их смеси, причем добавку или добавки вводят в таком количестве, чтобы динамическая вязкость водной суспензии не превышала 1000 мПа⋅с; б) стадию криогенной грануляции суспензии, приготовленной на стадии а); в) стадию сублимационной сушки гранул, полученных на стадии б), посредством которой получают порошок, содержащий оксид урана UO2, оксид плутония PuO2 и при необходимости оксид америция AmO2 и/или оксид другого минорного актиноида МО2, где М означает нептуний или кюрий.

Способ получения самоформирующегося волокнистого высокотемпературного теплозащитного материала и изделия из него // 2791757

Изобретение относится к технологии получения высокотемпературных керамических материалов теплозащитного и теплоизоляционного назначения. Способ получения волокнистого высокотемпературного теплозащитного материала включает диспергирование тугоплавкого волокна в две стадии с получения однородной водной пасты-полуфабриката, получение сырой заготовки путем заполнения формы, сушку и обжиг полученной заготовки.