СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫ СО СКВОЗНЫМИ КАНАЛАМИ Российский патент 1995 года по МПК C04B35/00 C04B35/78 

Изобретение относится к керамике и может быть использовано для получения керамических изделий со сквозными каналами, применяемых в качестве фильтров, служащих основой для экранов-преобразователей ионизирующего излучения, носителей катализаторов, рассекателей газовых и жидкостных потоков, пламени и др.

Известен способ получения керамических изделий со сквозными каналами, включающий изготовление заготовки путем литья термопластичного шликера, введение в тело заготовки нагретого инструмента-проволоки, колеблющейся с ультразвуковой частотой, охлаждение проволоки, извлечение последней и проведение обжига заготовки с образованными в ней каналами [1].

Однако данный способ применим в основном для получения одиночных каналов. Недостатком этого способа является невысокая объемная доля сквозных каналов, которые могут быть образованы в термопластичной отливке.

Известен также способ получения керамических изделий со сквозными каналами, включающий покрытие поверхности конических металлических стержней слоем парафина (или стеарина), погружение вертикально пучка таких стержней в форму с керамической массой, содержащей связку, затвердевающую в процессе полимеризации, извлечение пучка стержней из затвердевшей массы путем их нагревания до температуры плавления слоя парафина на металлических стержнях и термообработку заготовки с образованными в ней каналами [2].

Данный способ хотя и позволяет получать керамическую заготовку с высокой объемной долей каналов (30-40 об.%), но диаметр каналов при этом достаточно велик (1-3 мм), а следовательно, велика и площадь поперечного сечения канала (7,85˙10^-3 см²).

Известен способ получения керамической матрицы со сквозными каналами, включающий формование шликерной керамической массы с направленно расположенными в ней непрерывными хлопчатобумажными волокнами, термообработку заготовки и спекание [3].

Следует заметить, что расстояние между хлопчатобумажными волокнами не менее 1 мм. Полученная матрица имеет низкое качество из-за невысокой объемной доли цилиндрических каналов, образующихся в ней после термообработки. Процесс характеризует невысокий процент выхода годных изделий.

Однако для некоторых изделий, например основания для экранов в преобразователях ионизирующего излучения, необходимо получение заготовок со сквозными каналами, у которых высока объемная доля каналов (50-70%) при уменьшении их площади поперечного сечения.

Техническим решением, наиболее близким к данному, является способ получения керамической матрицы со сквозными каналами, включающий нанесение на нить, выполненную из сгораемого материала, пластичной шликерной массы, укладку параллельно расположенных нитей, термообработку и спекание [4].

Данный способ не позволяет достичь высокой объемной доли каналов.

Целью изобретения является увеличение объемной доли каналов и процента выхода годных матриц.

Это достигается за счет того, что согласно способу получения керамической матрицы со сквозными каналами, включающему формование шликерной керамической массы с направленно расположенными в ней непрерывными хлопчатобумажными волокнами, термообработку заготовки и спекание, предварительно хлопчатобумажные волокна пропитывают парафином, наносят на их покрытие толщиной 0,011-0,11 мм из термопластичной шликерной массы, а формование проводят путем послойной укладки полученных волокон в нагретую до 40-50^оС форму с одновременным уплотнением каждого слоя при давлении 0,005-0,01 МПа, полученную заготовку нагревают до 57-60^оС и выдерживают в течение 0,5-1,0 ч и перед спеканием образованные сквозные каналы продувают сжатым воздухом.

Предварительная пропитка хлопчатобумажных волокон парафином исключает возможность покрытия волокон термопластичной шликерной массой, что обеспечивает получение бездефектных сквозных проницаемых каналов в матрице. Нанесение покрытия толщиной менее 0,011 мм из термопластичной шликерной массы на пропитанное парафином волокно приводит к разрыву его сплошности. Увеличение толщины покрытия более 0,11 мм нецелесообразно, так как снижается объемная доля каналов в матрице, что влияет на качество матрицы. Послойная укладка волокон с покрытием в нагретую форму с одновременным уплотнением каждого слоя обеспечивает соединение волокон и образование равноплотной заготовки, причем при нагреве формы менее 40^оС не происходит соединение волокон по боковым поверхностям из-за недостаточного разогрева (размягчения) шликерной массы, а при нагреве формы свыше 50^оС происходит выдавливание шликерной массы из зоны контакта поверхностей волокон.

Следует отметить, что уплотнение каждого слоя волокон при давлении менее 0,005 МПа не обеспечивает плотного контакта между волокнами, а при давлении более 0,01 МПа происходят деформация самих волокон и изменение их прямолинейности, что снижает качество получаемых годных матриц. Для залечивания микрополостей (микропор) в заготовке, образование которых возможно за счет попадания воздушных включений (пузырей) в шликерную массу после формования, заготовку нагревают и выдерживают при этой температуре. При этом нагрев заготовки менее 57^оС и выдержка менее 0,5 ч не обеспечивают процесса залечивания микрополостей в заготовке из-за недостаточного размягчения шликерной массы и ее высокой вязкости.

Увеличение температуры нагрева заготовки свыше 60^оС приводит и к частичному выдавливанию шликерной массы из зоны контакта волокон, а увеличение времени выдержки более 1,0 ч нецелесообразно, так как залечивание микропор происходит раньше этого времени. Образованные сквозные каналы после выгорания связующей массы и волокон перед спеканием продувают сжатым воздухом. Эта операция приводит к полному освобождению каналов от посторонних примесей, в противном случае происходят изменение прямолинейной направленности каналов и ухудшение их качества.

В процессе проведения патентного поиска не обнаружены технические решения с признаками, сходными с отличительными признаками заявляемого технического решения, поэтому данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Сущность предложенного способа заключается в следующем. Непрерывное хлопчатобумажное волокно пропитывают расплавом парафина, затем наносят термопластичную шликерную массу, толщина покрытия при этом составляет 0,011-0,11 мм. Далее в металлическую форму, нагретую до 40-50^оС, послойно в горизонтальной плоскости укладывают волокна с одновременным уплотнением каждого слоя при давлении 0,005-0,01 МПа. За счет нагретой формы покрытие на волокнах размягчается и после уплотнения каждого из слоев волокон происходит их последовательное соединение. После заполнения всего объема формы уплотненными волокнами с покрытием ее помещают в сушильный шкаф и нагревают до 57-60^оС с последующей выдержкой при этой температуре в течение 0,5-1,0 ч. Далее форму охлаждают, извлекают заготовку и проводят термообработку в муфельной печи. При этом для удаления из заготовки связующего (парафина) в тигель, заполненную порошком глинозема, опускают заготовку и нагревают до 300^оС. В процессе термообработки волокна в заготовке обугливаются. Далее заготовку извлекают из порошка глинозема и в муфельной печи нагревают уже до 1200^оС в течение 1 ч. После этой операции происходят окончательное выгорание волокон и образование сквозных каналов, которые продувают струей сжатого воздуха под давлением 2-4 атм. После этого матрицу спекают при 1550-1600^оС.

П р и м е р 1. Непрерывное хлопчатобумажное волокно (нить) 1,0 мм и длиной 100 м погружают в емкость с расплавом парафина, температура которого 90^оС, и выдерживают в течение 1 ч. За конец волокно извлекают из расплава и протягивают всю нить через калибровочное отверстие в металлической пластине, диаметр которого 1,1 мм, для снятия излишка (наплава) парафина с поверхности волокна. Поверхность пропитанного парафином хлопчатобумажного волокна полируют мягкой тканью. Полученное волокно погружают в нагретую до 98^оС термопластичную шликерную массу, состоящую из мас.%: алюмооксидный порошок марки ВК-94-1 90, парафин 8, воск 2, снова за конец волокно извлекают из шликерной массы и протягивают через калибровочное отверстие, выполненное в металлической пластине, диаметр которого превышает диаметр х/б волокна на величину толщины шликерного покрытия (в данном случае диаметр отверстия - 1,11 мм, толщина шликерного покрытия 0,055 мм). Далее берут металлическую форму размером 30х30 мм, внутренняя поверхность которой покрыта тефлоновой пленкой, нагревают до 40^оС и укладывают в нее горизонтально отрезки волокон длиной 50 мм. Давлением 0,005 МПа от пресса типа П-10 каждый слой размягченных волокон уплотняют, что приводит к соединению слоев друг с другом. Проводят набор слоев до заполнения формы (высота 30 мм), затем помещают форму в сушильный шкаф, нагревают до 57^оС и выдерживают в течение 0,5 ч. Вынимают форму из сушильного шкафа, охлаждают и извлекают заготовку. Помещают ее в тигель объемом 200 мм и заполненным порошком технического глинозема в количестве 150 г, помещают тигель с заготовкой в муфельную печь, нагревают до 300^оС, выдерживают при этой температуре 15 мин, а затем печь выключают, охлаждают тигель с заготовкой. После охлаждения тигель вынимают из муфельной печи, освобождают заготовку от порошка глинозема, высыпая его на чистую поверхность стола, снова помещают заготовку в муфельную печь, нагревают до 1200^оС и выдерживают при этой температуре 60 мин. Затем печь выключают и охлаждают заготовку до комнатной температуры вместе с печью. Заготовку вынимают, полученные сквозные каналы продувают через насадку диаметром 1 мм от компрессора под давлением 2 атм на расстоянии от заготовки 100-150 мм струей сжатого воздуха. После этого заготовку помещают в отжиговую печь и спекают в воздушной атмосфере при 1600^оС в течение 60 мин. Полученная матрица имеет линейную усадку 10%, диаметр каналов 0,9 мм, объемная доля каналов матрицы составляет не менее 63,5 об.%.

П р и м е р 2. Непрерывное хлопчатобумажное волокно (нить) длиной 100 м погружают в емкость с расплавом парафина, температура которого 90^оС и выдерживают в течение 1 ч. За конец волокно извлекают из расплава и протягивают всю нить через калибровочное отверстие в металлической пластине, диаметр волокна 0,088 мм. Поверхность пропитанного парафином х/б волокна полируют мягкой тканью. Полученное волокно погружают в нагретую до 98^оС термопластичную шликерную массу, состоящую из, мас.%: алюмооксидный порошок марки ВК-94-1 90, парафин 8, воск 2, и снова за конец волокно извлекают из шликерной массы и протягивают через калибровочное отверстие. Толщина покрытия 0,011 мм. Далее берут металлическую форму размером 30х30 мм, внутренняя поверхность которой покрыта тефлоновой пленкой, нагревают до 45^оС и укладывают в нее горизонтально отрезки волокон длиной 50 мм. Давлением 0,0075 МПа от пресса типа П-10 каждый слой размягченных волокон уплотняют, что приводит к соединению слоев друг с другом. Проводят набор слоев до заполнения формы (высота 30 мм), затем помещают форму в сушильный шкаф, нагревают до 58^оС и выдерживают в течение 0,75 ч. Вынимают форму из сушильного шкафа, охлаждают и извлекают заготовку. Помещают ее в тигель (объем 200 мл), заполненный порошком технического глинозема в количестве 150 г, помещают тигель с заготовкой в муфельную печь, нагревают до 300^оС, выдерживают при этой температуре 15 мин, а затем печь охлаждают совместно с тигелем и заготовкой. Заготовку извлекают, после охлаждения из тигеля освобождают от порошка глинозема, высыпая его на чистую поверхность стола, снова помещают заготовку в муфельную печь, нагревают до 1200^оС и выдерживают при этой температуре 60 мин. Затем печь выключают и охлаждают заготовку до комнатной температуры вместе с печью. Заготовку вынимают, полученные сквозные каналы продувают через насадку диаметром 1 мм от компрессора под давлением 2 атм на расстоянии 100-150 мм от заготовки струей сжатого воздуха. После этого заготовку помещают в отжиговую печь и спекают в вакууме при 1550^оС в течение 60 мин. Полученная матрица имеет диаметр каналов 0,08 мм, объемная доля каналов в матрице не менее 50,2 об.%.

П р и м е р 3. Непрерывное хлопчатобумажное волокно (нить) длиной 100 м погружают в емкость с расплавом парафина, температура которого 90^оС, и выдерживают в течение 1 ч. За конец волокно извлекают из расплава и протягивают всю нить через калибровочное отверстие в металлической пластине, диаметр волокна 0,88 мм. Поверхность пропитанного парафином х/б волокна полируют мягкой тканью. Полученное волокно погружают в нагретую до 98^оС термопластичную шликерную массу, состоящую из, мас.%: алюмооксидный порошок марки ВК-94-1 90, парафин 8, воск 2, снова за конец волокно извлекают из шликерной массы и протягивают через калибровочное отверстие. Толщина покрытия 0,11 мм. Далее берут металлическую форму размером 30х30 мм, внутренняя поверхность которой покрыта тефлоновой пленкой, нагревают до 50^оС и укладывают в нее горизонтально отрезки волокон длиной 50 мм. Давлением 0,005 МПа от пресса типа П-10 каждый слой размягченных волокон уплотняют, соединяя их друг с другом. Проводят набор слоев до заполнения формы (высота 30 мм), затем помещают форму в сушильный шкаф, нагревают до 60^оС, в течение 0,5 ч выдерживают при этой температуре. Вынимают форму из сушильного шкафа, охлаждают и извлекают заготовку. Помещают ее в тигель (объем 200 мл), заполненный порошком технического глинозема в количестве 150 г, помещают тигель с заготовкой в муфельную печь, нагревают до 300^оС, выдерживают при этой температуре 15 мин. Затем печь охлаждают совместно с тиглем и заготовкой. Заготовку извлекают из тигля после охлаждения, освобождают от порошка глинозема, высыпая в муфельную печь. Нагревают ее до 1200^оС и выдерживают при этой температуре 60 мин. Затем печь выключают и охлаждают заготовку до комнатной температуры вместе с печью. Заготовку вынимают, полученные сквозные каналы продувают через насадку диаметром 1 мм от компрессора под давлением 2 атм на расстоянии 100-150 мм от заготовки струей сжатого воздуха. После этого заготовку помещают в отжиговую печь и спекают в воздушной атмосфере при 1600^оС в течение 60 мин. Полученная матрица имеет диаметр каналов 0,8 мм, объемная доля каналов в матрице - не ниже 50,2 об.%.

Сопоставительный анализ известного и предлагаемого способов приведен в таблице.

Следует заметить, что примеры 1, 2, 3 по предлагаемому способу выполнены при использовании крайних и средних значений технологических параметров. Режимы термообработок матриц в обоих способах были одинаковыми. Для матриц в обоих способах был использован оксид алюминия марки ВК-94-1. Как следует из данных таблицы, объемная доля каналов в матрице по предлагаемому способу более чем в 2 раза превышает объемную долю каналов в матрице, полученной по способу-прототипу, при этом возможно снижение площади поперечного сечения канала на 2 порядка. Суммарную площадь, занимаемую каналами в поперечном сечении матрицы, равном 1 см² (S), а также объемную долю каналов в 1 см³ (V) определяют по формуле
V_%=S%= · 100
где d - диаметр канала,
Δ ^l - толщина покрытия волокон после спекания с учетом 10% линейной усадки.

Для оценки процента выхода годных матриц после спекания выбирают партию матриц в количестве 10 штук. Годной считают матрицу, не имеющую никаких поверхностных дефектов (трещины, царапины, сколы, несплошности стенок между соседними каналами). Кроме того, внутренняя поверхность каналов не должна содержать припекшихся к ней частиц порошка и агрегатов этих частиц. Оценку проводят путем анализа матриц партии под оптическим микроскопом.

Таким образом, предложенный способ позволяет улучшить качество получаемых матриц со сквозными каналами путем увеличения объемной доли каналов с одновременным уменьшением диаметра сквозных каналов, а также увеличить процент выхода годных изделий.

Изобретение относится к керамике и может быть использовано для получения керамических изделий, применяемых в качестве фильтров, служащих основой для экранов преобразователей ионизирующего излучения. Сущность изобретения: хлопчатобумажное волокно пропитывают парафином. Наносят на волокна термопластичную шликерную массу толщиной 0,011 - 0,11 мм. Затем в металлическую форму, нагретую до 40 - 50°С, послойно укладывают волокна с одновременным уплотнением каждого слоя при давлении 0,005 - 0,01 МПа, далее форму нагревают до 57 - 60°С с последующей выдержкой при этой температуре в течение 0,5 - 1,0 ч, проводят термообработку, полученные каналы в матрице продувают сжатым воздухом и ведут процесс спекания при 1550 - 1600°С. 1 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫ СО СКВОЗНЫМИ КАНАЛАМИ, включающий нанесение на нить, выполненную из сгорающего материала, пластичной шликерной массы, укладку параллельно расположенных нитей, термообработку и спекание, отличающийся тем, что, с целью увеличения объемной доли каналов и процента выхода годных матриц, используют хлопчатобумажные волокна, которые предварительно пропитывают парафином, покрытие наносят из термопластичной шликерной массы толщиной 0,011-0,11 мм, укладку нитей осуществляют послойно в нагретую до 40-50^oС форму с уплотнением каждого слоя при давлении 0,005-0,01 МПа, после заполнения формы ее нагревают, термообработку ведут при 57-60^oС с выдержкой в течение 1 ч, а перед спеканием образовавшиеся сквозные каналы продувают сжатым воздухом.