ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КВАРЦЕВОЙ КЕРАМИКИ Российский патент 1996 года по МПК C04B35/14 

Изобретение относится к керамической промышленности, а точнее к технологии получения высокотермостойких керамических материалов на основе аморфной двуокиси кремния и легирующих добавок, применяемых в различных областях науки и техники.

Известны составы шихт и способы получения керамических и неорганических волокнистых материалов на основе аморфной двуокиси кремния, в которых в качестве легирующей добавки использован карбид кремния. При этом карбид кремния вводят либо в виде волокна [1,2,3] либо в виде порошка [4,5,6] Волокнистая добавка SiC при этом вводится путем выкладки и используется для увеличения прочностных и упругих характеристик материала. Как отмечается в работе [1] эффект упрочнения тем выше, чем больше отношение длины волокнистого наполнителя l к диаметру D, а его концентрация должна быть не менее 15% Для композиции "порошок кварцевого стекла волокнистый карбид кремния" с беспорядочным расположением волокнистого наполнителя оптимальными оказались: концентрация SiC около 20% отношение l/D 40 при длине волокна 2 5 мм [6] Образцы формовались методом полусухого прессования. Формовочная масса не технологична: плохо размешивается с порошком, пригодна только для формования плоских заготовок. Порошкообразный карбид кремния вводят для повышения твердости, электропроводности. Ощутимые результаты получаются при введении SiC более 15% Порошкообразный карбид кремния вводят для повышения твердости, электропроводности. Ощутимые результаты получаются при введении более 15% Порошкообразные добавки SiC с удельной поверхностью выше 1 м²/г легко вводятся в шликер кварцевого стекла, а шихта пригодна для формования изделий методом водного шликерного литья.

Недостатком этих материалов является ухудшение теплофизических свойств - коэффициента линейного термического расширения (КЛТР), термостойкости, теплофизических характеристик. Увеличивается также электропроводность материала.

Наиболее близким по техническому решению является кварцевая керамика, шихта для которой содержит 10-20% SiC [7] прототип. Недостатком материала, как и аналогов, является сравнительно высокий КЛТР (по ТУ он находится в интервале (6,5-12,5)•10^-71/град для Т 10-900^oС) и существенно выше, чем у чистых кварцевых материалов (без добавки SiC), теплопроводность. Кроме того, материал по прототипу, а также другие материалы, содержащие 10-30% порошкообразного карбида кремния можно квалифицировать как плохой СВЧ диэлектрик. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10¹⁰Гц находится в пределах (100-500)•10^-4). Это говорит о том, что материал плохо пропускает СВЧ, но он не является радиопоглощающим материалом.

Техническим результатом изобретения является получение радиопоглощающего материала на основе аморфной двуокиси кремния с одновременным сохранением высокой термостойкости (низкого КЛТР), высокого омического сопротивления, свойственного кварцевой керамике, и низкой теплопроводности. Кроме того, шихта должна обеспечивать высокую технологичность при получении изделий сложного профиля. Как и у прототипа формование изделий должно осуществляться простым и универсальным способом керамического производства шликерным литьем из водных суспензий в гипсовые формы.

Технический результат достигается тем, что шихта для получения материала и изделий содержит волокнистый карбид кремния с длиной волокон от 10 до 500 мкм при следующих соотношениях компонентов в массовых процентах:
Кварцевое стекло 95-99
Волокнистый карбид кремния 1-5
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем. Измельченное до размера частиц в пределах от 10 до 500 мкм волокно карбида кремния вводят в водный шликер кварцевого стекла в количестве от 1 до 5 мас. к твердой фазе. Комбинированный шликер тщательно перемешивают, процеживают через сито 0,5 мм и методом литья в гипсовые формы формуют изделия различной конфигурации и размера. Выбранная длина волокна, небольшое количество добавки позволяют получить высокую однородность формовочной массы (шликера), сохраняют хорошую технологичность материала при производстве изделий сложного профиля сравнительно простым методом водного шликерного литья. Более длинное волокно плохо вводится и размешивается в плотных, седиментационных шликерах, а увеличение концентрации вводимой добавки снижает плотность и прочность отливки и материала, ухудшает теплофизические и электрические свойства материала. Уменьшение количества SiC, а также более тонкое измельчение волокна не дает положительного эффекта материал остается прозрачным в диапазоне СВЧ. Разумеется предложенный состав шихты пригоден также для получения изделий и другими методами формования, как-то полусухое прессование, горячее шликерное литье, формование из водоволокнистых масс.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявленный состав шихты отличается от известного соотношения компонентов видом и характеристикой добавки карбида кремния.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Выбранное количество и размер (длина волокон) волокнистой добавки приводят к появлению в материале отличающихся от прототипа свойств. При указанных количествах ингредиентов кварцевая керамика приобретает новое свойство поглощение СВЧ при сохранении остальных свойств материала и его технологичности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1.

Мокрым помолом кварцевого стекла в шаровых мельницах готовили суспензию плотностью 1,87-1,89 г/см³, pH 4-7, вязкостью 10-60 с по вискозиметру ВЗ-1.

Зерновой состав:
частиц до 5 мкм 20-30%
Частиц 63-500 мкм 2-11%
Ватообразную массу нитевидных кристаллов карбида кремния ТУ 6-02-1183-84 предварительно измельчали на прессе и в шаровой мельнице, затем просеивали через сито 0,5 мм. Для исключения комкования просеянный порошок нитевидных кристаллов SiC распускали в воде (1:1) и смешивали с суспензией кварцевого стекла. Комбинированный шликер перемешивали в шаровой мельнице и стабилизировали в течение не менее 24 часов. Плиты размером 300х300х10 мм и полусферические оболочки диаметром 300 мм, толщиной 20 мм отливали в гипсовых формах методом шликерного литья, сушили и обжигали на воздухе при максимальной температуре 1200-1260^oС.

Свойства полученного материала при концентрации SiC равном 1% показаны в таблице (пример 1).

Пример 2.

Предварительно диспергированное супертонкое волокно кварцевого стекла ТУ 6-11-15-191-81 и нитевидные кристаллы карбида кремния ТУ 6-02-01-3-84 измельчали на прессе до средней длины отдельных волокон 0,1-0,3 мм. Из смеси кварцевого волокна и карбида кремния в пропорциях, указанных в формуле изобретения готовили водоволокнистую массу с концентрацией твердой фазы от 7-15% Для снижения и уменьшения кристаллизации стекла и температуры спекания вводили 0,5-1 вес. к твердой фазе борсодержащие активаторы спекания в виде порошков B₂, BN, SiB₄.

Образцы, плиты, макетные изделия сложной формы прессовали путем обжатия формовочной массы на перфорированной матрице при помощи жесткого пуансона или резиновой оболочки. Затем заготовки сушили и обжигали на воздухе при максимальной температуре 1250-1290^oС.

Свойства полученного материала при концентрации SiC, равной 3% показаны в таблице.

Пример 3.

Волокно кварцевого стекла и карбида кремния, приготовленные по технологии, описанной в примере 2, смешивались в пропорции 2:1 со связующим на основе кремнийорганической смолы 111-228. Из формовочной массы методом полусухого прессования формовали плиты размером 250х250х20 мм. Затем заготовки сушили на воздухе, термообрабатывали при температуре 350±50^oC и обжигали при максимальных температурах 1260±20^oC. Свойства полученного материала при концентрации SiC, равной 5% приведены в таблице.

Как в первом, так и во втором и третьем примерах, обжиг можно производить также в вакууме или в инертной среде (азот, аргон). Соотношение SiO₂-SiC во всех примерах брали в пропорциях, указанных в формуле изобретение.

В таблице показаны составы шихт и основные физико-технические свойства полученных материалов для трех примеров выполнения, прототипа и чистой кварцевой керамики ниасит.

Использование предложенного технического решения по сравнению с известным дает следующие преимущества:
на основе кварцевого стекла получен радиопоглощающий керамический материал, который по своим теплофизическим, электрическим, прочностным и др. свойствам сохраняет преимущества обычной, не модифицированной кварцевой керамики;
состав шихты и параметры модифицирующей добавки позволяют получить композиционные радиопоглощающие материалы в системе SiO₂-SiC различными способами: шликерным литьем, полусухим прессованием, формованием заготовок из водо-волокнистых масс и др.

предложенные размеры волокнистой компоненты, соизмеримость их с фракционным составом литейных шликеров позволяют простыми методами достигать высокой гомогенизации формовочных масс (шликеров) и формовать изделия различных форм и размеров.

Использование: получение высокотермостойких керамических материалов. Сущность изобретения: шихта включает в мас.% кварцевое стекло 95-99, волокнистый карбид кремния длиной волокон 10-500 мкм 1-5. Характеристика: плотность кажущаяся 0,4-2 г/см³, КЛТР 3,5-8,0•10^-7 град^-1, прочность при изгибе 0,4-50 МПа. 1 табл.

Шихта для получения кварцевой керамики, включающая кварцевое стекло и карбид кремния, отличающаяся тем, что она содержит волокнистый карбид кремния длиной волокон от 10 до 500 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.

Кварцевое стекло 95 99
Волокнистый карбид кремния 1 5