ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПРОНИЦАЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК C04B35/42 C04B35/50 

Изобретение относится к классу высокотемпературных неметаллических материалов и способу их получения, в частности к материалам на основе хромита лантана, предназначенного для проницаемого тепловыделяющего элемента, используемого в окислительных средах.

В настоящее время в указанных элементах используются неметаллические материалы на основе карбида кремния SiC, дисилицида молибдена MoSi₂, диоксида циркония ZrO₂ и хромита лантана LaCrO₃. Карбид кремния и дисилицид молибдена в окислительных средах окисляется. Это ограничивает максимальную температуру их применения. Материалы на основе диоксида циркония характеризуются недостаточной электропроводностью, что не позволяет им самостоятельно разогреваться до рабочих температур (1100-1300°С) и в дальнейшим работать как проводящий тепловыделяющий элемент.

Хромит лантана - окисный материал, способный под приложенным напряжением электрического тока саморазогреваться от комнатной температуры.

Известно недорогое вещество воздушного электрода для электрохимического элемента с тугоплавким твердоокисным электролитом, описанное в публикации заявки №98117802 (Вестингхауз Электрик Корпорейшн (US)). Материал и способ его получения заключается в получении порошкообразной естественной лантаноидной смеси, по меньшей мере, двух лантаноидов из группы La, Се, Pr, Nd и Sm, и изготовлении традиционными методами порошковой металлургии пористого материала. Воздушный электрод из такого материала имеет пористость приблизительно 20-40 об.%, удельное электрическое сопротивление приблизительно 10-25 мОм/см при 1000°С и коэффициент теплового расширения в диапазоне приблизительно 25-1000°С приблизительно (10.4-10.6)10^-6 1/°С.

Недостатками известного материала являются:

- сложность и многокомпонентность исходных материалов;

- малая величина общей пористости (20-40 об.%), в которой доля открытой пористости составляет еще меньшую величину, что ограничивает пропускную способность такого элемента;

- низкие механические характеристики такого элемента.

Недостатками известного способа являются:

- высокая энергоемкость,

- сложность технологического процесса (время, многократное смешивание, дополнительное введение реагентов, двукратное прессование).

Известен многокомпонентный резистивный материал и шихта для его получения, описанная в патенте Российской Федерации №2104984 (дата публикации 20.02.1998, С 04 В 35/42). Согласно этому изобретению многокомпонентный резистивный материал включает кристаллические фазы хромита лантана и Y₂О₃, YcrO₃ с общей формулой

La_1-xM_xCr_1-yМе_yО₃,

где М - один из элементов Са, Mg, Nd, Се, a Me - один из элементов Mg, Al, Y. Резистивный материал получают в две стадии: обжигом исходной смеси при температуре 1300°С в течение 7 часов в окислительной среде, а затем после добавки оксида иттрия, синтезом при температуре 1800°С в течение 2 часов. Данный материал имеет относительную плотность не менее 95%, резистивность 1-3 Ом^-1 см^-1 и испаряемость менее 10^-5-10^-6 г/(см² ч).

Недостатками известного материала, взятого за прототип, являются:

- сложность и многокомпонентность исходных материалов;

- малая величина общей пористости (менее 5 об.%), что не позволяет его использовать как пористый проницаемый материал;

- невозможность регулировать удельное электрическое сопротивление.

Недостатками известного способа, взятого за прототип, являются:

- высокая энергоемкость,

- сложность технологического процесса (время, дополнительное введение компонентов на промежуточном этапе получения, смешивание).

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в разработке высокотемпературного, пористого, проницаемого, электропроводящего материала и способа его получения. Материал, полученный при реализации данного изобретения, обладает при общем объеме пористости 45-55% величину открытой пористости 30-50%, электрическое сопротивление 10-40 Ом, что позволит саморазогреваться ему от комнатных температур до рабочих 1100-1200°С, иметь прочность на уровне 25-30 МПа и сохранять эти характеристики как минимум в течение 500 циклов (нагрев-охлаждение).

Указанный технический результат достигается тем, что высокотемпературный, пористый, проницаемый и электропроводящий материал, содержащий хромит лантана, дополнительно содержит карбид титана при следующем соотношении компонентов, вес.%: хромит лантана 50-80, карбид титана 20-50, а способ изготовления этого материала заключается в смешивании порошковых компонентов и синтезе порошковой смеси в вакууме при температуре 1550-1600°С в течение 45-60 минут, с выдержкой при комнатной температуре в течение 46-50 часов, затем проводят смешивание синтезированной смеси с пластификатором, прессование заготовок и спекание в вакууме при температуре 1550-1600°С в течение 30-60 минут.

Предлагаемый материал содержит хромит лантана (50-80 вес.%) и карбид титана (20-50 вес.%). Подбор качественного и количественного состава произведен экспериментальным путем.

Отличие предлагаемого способа от прототипа в том, что если в прототипе после смешивания исходных порошковых компонентов порошковую смесь сначала обжигают, а потом, добавив оксид иттрия, проводят синтез до получения композиции готовой к применению, то в предлагаемом способе после смешивания исходных порошковых компонентов осуществляют процесс синтеза, а затем проводят смешивание синтезированной смеси с пластификатором, прессование заготовок и спекание в вакууме до получения предлагаемого материала.

В предлагаемом способе получения высокотемпературного, проницаемого и электропроводящего материала в отличие от прототипа уменьшается температура синтеза до 1550-1600°С и время синтеза до 45-60 мин. Синтез осуществляют в вакууме с последующей выдержкой при комнатной температуре в течение 46-50 часов до полного завершения процесса синтеза. Подбор технологических параметров способа осуществлен также экспериментальным путем.

Выбор температуры и времени окончательного спекания обусловлен тем, что при нагреве ниже температуры 1550-1600°С не достигается высокая диффузионная подвижность атомов и не обеспечивается необходимая прочность готовым изделиям. При нагреве выше данного температурного интервала (1700-1800°С) наблюдается резкое уменьшение величины открытой пористости, что не обеспечивает пропускную способность материалу. Изотермическая выдержка в течение 30 минут обеспечивает получение прочных образцов. При меньшей выдержке диффузионные процессы не успевают обеспечить уплотняемость материала и сформировать надежный контакт между частицами порошка. Особенность данного способа заключается в получении пористого проницаемого материала, что расширяет области его применения, в частности как проницаемого высокотемпературного элемента.

Пример 1.

Берут порошки хромита лантана (50 вес.%) и карбида титана (50 вес.%), смешивают и засыпают в керамический тигель. Тигель с порошком помещают в вакуумную печь и проводят синтез при температуре 1550°С в течение 45 минут. Полученный спек выдерживают при комнатной температуре в течение 50 часов для полного завершения процесса синтеза. Далее в синтезированную смесь вводят пластификатор (раствор синтетического каучука в бензине), высушивают, прессуют в брикеты необходимой формы при давлении 2.0-2.5 т/см² и спекают в вакууме при температуре 1600°С в течение 30 минут.

Пример 2.

Берут порошки хромита лантана (80 вес.%) и карбида титана (20 вес.%), смешивают и засыпают в керамический тигель. Тигель с порошком помещают в вакуумную печь и проводят синтез при температуре 1600°С в течение 60 минут. Полученный спек выдерживают при комнатной температуре в течение 46 часов для полного завершения процесса синтеза. Далее в синтезированную смесь вводят пластификатор (раствор синтетического каучука в бензине), высушивают, прессуют в брикеты необходимой формы при давлении 2.0-2.5 т/см² и спекают в вакууме при температуре 1550°С в течение 60 минут.

Пример 3.

Берут порошки хромита лантана (60 вес.%) и карбида титана (40 вес.%), смешивают и засыпают в керамический тигель. Тигель с порошком помещают в вакуумную печь и проводят синтез при температуре 1570°С в течение 50 минут. Полученный спек выдерживают при комнатной температуре в течение 48 часов для полного завершения процесса синтеза. Далее в синтезированную смесь вводят пластификатор (раствор синтетического каучука в бензине), высушивают, прессуют в брикеты необходимой формы при давлении 2.0-2.5 т/см² и спекают в вакууме при температуре 1580°С в течение 45 минут.

Изобретение относится к материалу на основе хромита лантана, предназначенного для проницаемого тепловыделяющего элемента, используемого в окислительных средах. Технический результат изобретения - создание материала, обладающего высокой пористостью и электрическим сопротивлением 10-40 Ом, что позволит ему саморазогреваться от комнатных температур до рабочих 1100-1200°С, иметь прочность на уровне 25-30 МПа и сохранять эти характеристики как минимум в течение 500 циклов (нагрев-охлаждение). Указанный материал содержит 50-80 вес.% хромита лантана и 20-50 вес.% карбида титана. Способ его изготовления включает смешивание порошковых компонентов, синтез порошковой смеси в вакууме при температуре 1550-1600°С в течение 45-60 минут с выдержкой при комнатной температуре в течение 46-50 часов. Синтезированный порошок смешивают с пластификатором, прессуют и спекают в вакууме при температуре 1550-1600°С в течение 30-60 минут. 2 н.п. ф-лы.

1. Высокотемпературный проницаемый и электропроводящий материал, содержащий хромит лантана, отличающийся тем, что он дополнительно содержит карбид титана при следующем соотношении компонентов, вес.%: хромит лантана 50-80, карбид титана 20-50.2. Способ получения высокотемпературного проницаемого и электропроводящего материала по п.1, включающий смешивание исходных порошковых компонентов, синтез порошковой смеси, отличающийся тем, что синтез осуществляют в вакууме при температуре 1550-1600°С в течение 45-60 мин с выдержкой при комнатной температуре в течение 46-50 ч, затем проводят смешивание синтезированной смеси с пластификатором, прессование заготовок и спекание в вакууме при температуре 1550-1600°С в течение 30-60 мин.