ПЛОТНОСПЕЧЕННАЯ КЕРАМИКА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛОТНОСПЕЧЕННОЙ КЕРАМИКИ Российский патент 1996 года по МПК C04B35/14 

Изобретение относится к керамическим материалам на основе диоксида кремния и способам их получения.

Известна кварцевая керамика, содержащая кварцевое стекло и одну или более кристаллических или других, например, стеклообразных, фаз /1/.

Наиболее близким по составу к предложенной плотноспеченной керамике является керамический материал, включающий: кварцевое стекло основа и 0,5-1,0 мас. нитрида бора /2/, который выбран нами за прототип.

Способ получения этого материала, включающий смешивание тонкомолотого кварцевого стекла (99,0-99,5 мас.) и порошкообразного нитрида бора (0,5-1,0 мас. ), формование заготовок, их сушку и обжиг при температурах до 1570 К в течение 2 ч /2/, выбран нами за прототип.

Указанным способом получают керамический материал на основе диоксида кремния с повышенной механической прочностью при пониженных температурах спекания. Однако этот керамический материал, состоящий из кварцевого стекла и добавки нитрида бора, не позволяет pеализовать многие другие потенциально высокие свойства, присущие керамическим материалам.

Основной задачей предложенного изобретения является получение плотноспеченной керамики, содержащей β-кварц и нитрид алюминия, которые при нормальных условиях являются термостабильными фазами в отличие от метастабильного при этих условиях кварцевого стекла.

Поставленная задача решается путем приготовления шихты из диоксида кремния и добавки нитрида, формования заготовок, их обжига при температурах до 1720 К и последующего охлаждения, причем согласно изобретению в качестве диоксида кремния используют порошок b-кварца, а в качестве добавки нитрид алюминия, которые смешивают при соотношении от 999:1 до 68:21 по массе.

Компоненты в указанном соотношении перемешивали путем совместного помола. После формования заготовки сушили, а затем обжигали при температурах до 1720 К и охлаждали.

В результате получали плотноспеченную керамику, содержащую (мас.): 76,4-99,9 b-кварца и 0,1-23,6 нитрида алюминия, отдельные свойства которой сопоставимы с аналогичными показателями керамического материала по прототипу /2/, а по ряду свойств превосходят показатели последнего (см. таблицу).

В ходе экспериментов было выявлено, что выход за указанные пределы не позволяет в полной мере реализовать поставленные в изобретении задачи - керамика при этом теряет свои ценные свойства, такие как, термостабильность, термостойкость и т.п.

Кроме того, при реализации предложенного способа выход за указанные пределы на стадии приготовления исходной шихты приводит к нарушению процесса спекания, проявлению нежелательных фазовых переходов, что сопровождается нарушением согласованного кооперативного поведения ансамбля из совокупности пьезо- и пироэлектрических зерен b-кварца и нитрида алюминия.

При этом имеет место проявление значительных деформаций, что затрудняет или даже исключает возможность получения из b-кварца спеченных керамических изделий сложной геометрической формы.

Согласно изобретению введение в исходную шихту на основе b-кварца добавок нитрида алюминия в количестве, обеспечивающем соотношение SiO₂:AlN от 999: 1 до 68:21 по массе, позволяет в процессе обжига достичь спеченного состояния, а после охлаждения получить поликристаллический керамический материал на основе b-кварца, при содержании последнего от 76,4 до 99,9% который обладает рядом уникальных свойств.

Полученные результаты можно объяснить воздействием пироэлектрического поля зерен нитрида алюминия на зерна кваpца, приводящим к стабилизации a-кварца, и способствующим спеканию заготовок в условиях проявления энантиотропного фазового перехода b-кварц ←_→ α-кварц по типу фазового перехода второго рода вблизи двойной критической точки.

При этом весьма важным обстоятельством предложенного технического решения является тот факт, что способ получения керамики из b-кварца предусматривает использование распространенного в керамической технологии оборудования.

Пример 1. Поликристаллическую керамику, включающую (мас.): 76,4 b-кварца и 23,6 нитрида алюминия, получали из шихты на основе b-кварца и нитрида алюминия, взятых в соотношении (по массе) SiO₂:AlN=68:21, путем совместного помола 152,8 г порошка b-кварца (SiO₂, ГОСТ 6139-78) и 47,2 г порошка нитрида алюминия (AlN, марка СВС, ТУ 88-20-40-82), приготовления пресс-порошка, формования заготовок с относительной плотностью 65% от теоретической. После сушки заготовки подвергали обжигу при 1620 К и охлаждали. В результате получали керамику на основе b-кварца, основные свойства которой представлены в таблице.

Пример 2. Из шихты, содержащей b-кварц и нитрид алюминия, взятых в соотношении (по массе) SiO₂:AlN=999:1, путем совместного помола 199,8 г порошка b -кварца (SiO₂, ГОСТ 9077-82) и 0,2 г порошка нитрида алюминия (AlN марка Ч, ТУ6-09-110-75), приготовления пресспорошка и последующего одноосного двухстороннего прессования формовали заготовки, которые затем подвергали обжигу при 1520 К. После охлаждения получали поликристаллическую керамику на основе b-кварца, основные свойства которой представлены в таблице.

Пример 3. Из шихты на основе b-кварца и нитрида алюминия, взятых в соотношении (по массе) SiO₂:AlN=19:1, путем совместного помола 190 г порошка b-кварца (SiO₂, ГОСТ 2138-84) и 10 г порошка нитрида алюминия (AlN, марка Ч, ТУ6-09-110-75) и последующего гранулирования готовили пресс-порошок, из которого формовали заготовки с относительной плотностью 65% от теоретической. Заготовки обжигали при 1690 К и после охлаждения получали спеченную керамику на основе b-кварца, основные свойства которой представлены в таблице в сравнении со свойствами керамического материала по прототипу /2/.

Сопоставительный анализ показывает, что полученная по предложенному способу керамика на основе b-кварца не уступает, а по ряду показателей превосходит керамический материал по прототипу /2/.

Петрографический, рентгенофазовый и ИК-спектральный анализы показали, что по своему фазовому составу полученная керамика представлена исключительно b-кварцем и нитридом алюминия. Дилатометрические исследования подтвердили полученные результаты и позволили установить, что предложенная керамика обладает уникальной термостабильностью объема при повышенных температурах. Акустические и термомеханические испытания показали, что керамика отличается повышенной механической прочностью. Исследования тепло- и электрофизических характеристик подтвердили заметную термостабильность этих параметров в широком интервале температур, что гарантирует реальную возможность изготовления из предложенной керамики разнообразных керамических изделий, пригодных для использования в различных областях науки и техники при широком диапазоне эксплуатационных требований в условиях динамических тепловых, электрических и механических нагрузок.

Анализ уровня техники показывает, что отсутствуют прямые или косвенные указания о положительном влиянии добавок нитрида алюминия на свойства керамики из b-кварца или о том, что они способствуют получению спеченной керамики на основе b-кварца.

Доступное сырье и наличие совокупности простых технологических операций, а также использование набора стандартного керамического оборудования обеспечивают промышленную применимость предложенного способа, а проявление ряда уникальных свойств предложенной керамики указывает на ее несомненные преимущества по сравнению с прототипом и другими известными из уровня техники решениями аналогичных задач.

Использование: изобретение относится к технологии керамических материалов и может быть использовано для изготовления керамических изделий, пригодных для эксплуатации в условиях динамических тепловых, электрических и механических нагрузок. Сущность изобретения: плотноспеченная β-кварцевая керамика содержит (мас. %): b-кварц 76,4-99,9 и нитрид алюминия 0,1-23,6. Способ получения керамики осуществляют путем приготовления шихты, формования заготовок, их термообработки при температурах выше 1500 К с последующим охлаждением. Формование заготовок производят из смеси порошков, содержащей b-кварц и нитрид алюминия, взятых в соотношении (по массе) от 999:1 до 68:21 соответственно. Керамика отличается повышенной термостойкостью, механической прочностью, пониженным удельным объемом, высокой термостабильностью объема при повышенных температурах. 2 с.п.ф-лы, 1 табл.

1. Плотноспеченная керамика, включающая диоксид кремния и нитрид элемента, отличающаяся тем, что в качестве диоксида кремния она содержит бета-кварц, а в качестве нитрида нитрид алюминия при следующем соотношении компонентов в мас.

бета-Кварц 76,4 99,9
Нитрид алюминия 0,1 23,6
2. Способ получения плотноспеченной керамики путем приготовления шихты, включающей диоксид кремния и нитрид элемента, формования заготовок, их термообработки и последующего охлаждения, отличающийся тем, что формование заготовок осуществляют из шихты, содержащей бета-кварц и нитрид алюминия в массовом отношении от 999 1 до 68 21 соответственно.