ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2009 года по МПК C04B35/10 

Изобретение относится к области получения огнеупорных керамических составов, в частности к алюмооксидному материалу, и может быть использовано в производстве изоляторов металлокерамических ламп, свечей зажигания, деталей вакуумных дугогасительных камер, силовых полупроводниковых приборов и т.д.

Известна алюмооксидная керамика, шихта которой содержит 88-96% глинозема и активатор спекания, в качестве которого используется порошок стекла, получаемый путем плавления при 1500°С смеси, содержащей, мас.%: 7,4-8,1 MgO, 6,9-7,6 CaO, 25,5-32,2 Al₂O₃, 53,5-58,8 SiO₂ (см. авт. св. №346284, МПК С04В 35/10).

Недостатком указанной керамики является необходимость отдельной варки стекломассы до полного ее оплавления при температуре до 1500°С и гранулирования стекла. Варка стекла при таких температурах требует специальных печей и огнеприпаса, что создает технологические трудности в серийном производстве алюмооксидной керамики.

Наиболее близкой к предлагаемому составу является шихта для изготовления керамического материала (см. Бердов Г.И., Гиндулина В.З., Павлова В.И., Лиенко В.А., Фурман М.А. Улучшение структуры и свойств алюмооксидной керамики // Стекло и керамика. - 1989, №7. - С.19-20) при следующем соотношении компонентов, мас.%:

активатор спекания (стеклообразующая композиция) 5,0 борная кислота 1,0 MgO 0,25 технический глинозем остальное, до 100,0%

Активатор спекания является продуктом предварительного синтеза при температуре 1300-1340°С исходного состава, содержащего, мас.%:

Al₂O₃ 41,0 SiO₂ 44,5 MgO 14,5

Недостатком указанной керамики является значительная величина диэлектрических потерь (tgδ) при повышенных температурах, что ограничивает применение такого материала в силовой электротехнике. Высокое значение tgδ обусловлено неизбежным присутствием в исходном глиноземе щелочных оксидов. Оксид бора вводится в состав шихты одновременно с предварительно синтезированным активатором спекания, что приводит к образованию боросиликатного стекла с растворением в нем боратов натрия и калия. Вследствие этого щелочные оксиды остаются в составе керамики.

Технической задачей является повышение уровня диэлектрических свойств алюмооксидной керамики путем введения в состав ее шихты комбинированной добавки, содержащей карбонаты стронция и кальция.

Согласно изобретению в состав шихты для получения керамического материала, содержащей технический глинозем, активатор спекания, борную кислоту, растворимую соль магния, дополнительно вводят карбонат стронция и карбонат кальция при следующем соотношении компонентов в мас.%:

активатор спекания 5,0-12,0 борная кислота 1,0-3,0 растворимая соль магния 1,0-2,0 карбонат стронция 2,0-3,0 карбонат кальция 1,0-2,0 технический глинозем остальное, до 100%

причем активатор спекания представляет собой спек исходных компонентов: глинозема, кварцевого песка и карбоната магния.

Пример осуществления изобретения.

Для экспериментальной проверки были подготовлены 5 составов керамики, три из которых показали оптимальные результаты.

Для получения активатора спекания брались исходные компоненты в соотношении, мас.%:

глинозем Г00 35,4 молотый кварцевый песок 38,4 карбонат магния 26,2

Порошки перемешивали мокрым способом в шаровой мельнице при соотношении масса:шары:вода, равном 1:1:1. Далее массу подсушивали, гранулировали до размера частиц 1-2 мм и обжигали при температуре 1300-1350°С. Полученный спек размалывали до удельной поверхности по ПСХ-2, составляющей около 10000 см²/г.

Подготовленный порошок активатора спекания, глинозем марки Г00 или Г0, борную кислоту, растворимую соль магния, карбонат стронция и карбонат кальция смешивали в соотношении, указанном в таблице.

Для равномерного распределения ионов магния по объему шихты, что в дальнейшем ограничивает рост кристаллов корунда, использовалась растворимая соль магния (нитрат или хлорид магния).

Шихта после перемешивания с влажностью около 10% обжигалась при температуре 1400-1500°С. Спек измельчался до получения суммарной поверхности 3000-5000 см²/г с добавлением 0,3 мас.% поверхностно-активного вещества (олеиновой кислоты). Шликер для горячего литья под давлением готовился с добавлением 11-13 мас.% термопластичной связки - парафина. Детали оформлялись методом горячего литья под давлением. Предварительный обжиг деталей, для удаления органической связки проводился при температуре 870-900°С, окончательный обжиг - при температуре 1570-1650°С.

В таблице приведены составы шихты керамики, температуры обжига изделий, температуры спекания металлизационного слоя на ней и диэлектрические свойства керамики. Другие свойства (механическая прочность, плотность, коэффициент термического расширения и т.д.) у материалов ВК95 - 1 и составов 1-5 примерно одинаковы и соответствуют техническим требованиям, предъявляемым к данному классу материалов.

Из таблицы следует, что шихта для изготовления керамического материала (составы №2, 3, 4) обладает более высокими диэлектрическими свойствами. Кроме того, обеспечивается снижение температуры при проведении технологических операций.

Введение в состав шихты карбоната стронция и карбоната кальция обеспечивает переход оксидов стронция и кальция при обжиге спека в состав стеклофазы керамики. При этом ионный радиус стронция (Sr²⁺ - 0,120 нм) близок к ионному радиусу иона калия (К⁺ - 0,133 нм), а иона кальция (Са²⁺ - 0,104 нм) - к иону натрия (Na⁺ - 0,098 нм). Таким образом, совместное введение соединений стронция и кальция обеспечивает их размещение в структурной сетке стекла, блокирующее возможное перемещение ионов щелочных металлов при действии электрического поля. Это и приводит к резкому уменьшению диэлектрических потерь и электрической проводимости керамики при повышенных температурах: диэлектрические потери снижаются на частотах 100 кГц-1 МГц при повышенных температурах (300-400°С) в 4-5 раз, а удельное объемное электрическое сопротивление керамики повышается в 10-15 раз.

Кроме того, снижается температура спекания керамики с 1670±10°С до 1610±10°С, температура прокалки изоляторов - с 1400-1450°С до 1270-1300°С, температура вжигания металлизационного слоя состава - Мо-Mn-Si с 1340±10°С до 1270±10°С.

Таблица Компоненты шихты ВК95-1 (прототип) Состав 1 Состав 2 Состав 3 Состав 4 Состав 5 Глинозем 88,5 87,4 87,0 85,0 81,0 80,6 Активатор спекания 8,0 4,5 5,0 8,0 12,0 12,5 Борная кислота 1,5 3,5 3,0 1,5 1,0 0,5 Растворимая соль магния (нитрат магния) 2,0 0,8 1,0 1,5 2,0 2,2 Карбонат стронция - 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Карбонат кальция - 2,3 2.0 1,5 1,0 0,7 Температура обжига изделий, °С 1670 1650 1650 1620 1600 1600 Температура спекания металлизационного слоя, °С 1300 1300 1275 1250 1250 1250 Диэлектрическая проницаемость
(1 МГц, 20°С) 10,0 9,9 9,9 9,8 9,8 9,8 Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ.10⁴) при частоте 1 МГц и температуре, °С:             20 6-8 5-6 2-3 <2 <2 5-6 200 40 35 20 15 10 30 300 200 150 80 60 40 150 400 >500 350 150 100 70 300 Удельное объемное электрическое сопротивление. Ом·см, при температуре, °С:             20 >1·10¹⁴ >1·10¹⁴ >2·10¹⁴ >4·10¹⁴ >2,5·10¹⁴ >1·10¹⁴ 200 6·10¹¹ 8·10¹¹ 2·10¹² 3·10¹³ 1,2·10¹⁴ 6·10¹¹ 300 1,8·10¹¹ 3·10¹¹ 5·10¹¹ 2·10¹² 1,2·10¹³ 3·10¹¹ 400 2,1·10⁹ 3·10⁹ 9·10⁹ 2·10¹⁰ 2,3·10¹⁰ 2·10⁹ 500 1,2·10⁸ 2·10⁸ 5·10⁸ 2,5·10⁹ 3,5·10⁹ 3·10⁸

Изобретение относится к области получения изоляционных огнеупорных материалов на основе оксида алюминия и может быть использовано в производстве изоляторов металлокерамических ламп, свечей зажигания, изоляционных установочных деталей. Предложен новый состав шихты, включающий технический глинозем, активатор спекания, борную кислоту, растворимую соль магния, а также дополнительно карбонаты стронция и кальция при следующем соотношении указанных компонентов, мас.%: активатор спекания 5,0-12,0; борная кислота 1,0-3,0; растворимая соль магния 1,0-2,0; карбонат стронция 2,0-3,0; карбонат кальция 1,0-2,0 технический глинозем - остальное, до 100%. Активатор спекания представляет собой спек исходных компонентов: глинозема, кварцевого песка и карбоната магния. Введение в состав шихты карбонатов стронция и кальция обеспечивает повышение электрического сопротивления и снижение уровня диэлектрических потерь керамики, особенно в области высоких температур (300-500°С), а также уменьшение температуры обжига керамики и спекания металлизационного слоя при получении металлокерамических спаев. 1 табл.

Шихта для получения керамического материала, содержащая технический глинозем, активатор спекания, борную кислоту, растворимую соль магния, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит карбонат стронция и карбонат кальция при следующем соотношении указанных компонентов, мас.%:
активатор спекания 5,0-12,0 борная кислота 1,0-3,0 растворимая соль магния 1,0-2,0 карбонат стронция 2,0-3,0 карбонат кальция 1,0-2,0 технический глинозем остальное, до 100%,