СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОН СМЕШАННОГО ШПИНЕЛЬНО-ГРАНАТОВОГО СОСТАВА Российский патент 2022 года по МПК C04B35/44 C04B35/622 D01F9/10 

Описание патента на изобретение RU2776286C1

Изобретение относится к керамическим волокнам смешанного оксидного состава: алюмомагниевой шпинели (MgAl2O4) и алюмоиттриевого граната (Y3Al5O12) на основе волокнообразующих органомагний-оксаниттрийоксаналюмоксановых олигомеров.

Керамические волокна смешанного оксидного состава, например, α-Al2O3 и t-ZrO2, YAG-ZrO2, α-Al2O3 и MgO (Akram M.Y., Ferraris М, Casalegno V., Salvo M., Puchas G., Knohl S., Krenkel W. Joining and testing of alumina fibre reinforced YAG-ZrO2 matrix composites. J. Europ.Ceram. Soc, 2018. Vol. 38(4), 1802-1811. Chandradass J., Balasubramanian M. Effect of magnesium oxide on sol-gel spun alumina and alumina-zirconia fibres. J. Europ.Ceram. Soc, 2006. Vol. 26(13), 2611-2617) широко востребованы для создания высокотемпературных керамокомпозитов с улучшенными механическими свойствами, которые необходимы для изготовления деталей авиационных и наземных газотурбинных двигателей, гиперзвуковых и летательных аппаратов, а также систем тепловой защиты космических аппаратов и гиперзвуковых транспортных средств (Armani C.J., Ruggles-Wrenn М.В., Fair G.E., Hay R.S., Creep of Nextel™ 610 fiber at 1100°C in air and in steam, Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2012. Vol. 10(2), 276-284).

Оксиды структуры шпинели и граната обладают не только высокой температурой плавления (2135 и 1940°С соответственно), но и сложной кристаллической структурой, препятствующей движению и распространению трещин.

Описан способ получения оксидных волокон смешанного шпинельно-гранатового состава: (MAS/YAG). Порошок оксида иттрия, порошок алюминия и хлорида алюминия растворяли в уксусной кислоте, смесь нагревали при перемешивании, используя магнитную мешалку, и кипятили с обратным холодильником при 80°С. Мольное соотношение AlCl3 ⋅ 6H2O и Al составляло 3: 1, мольное отношение Al/Y = 5:3, а мольное соотношение уксусной кислоты и Y составляло 1,5:1, мольное соотношение H2O и Al составляло 20:1. В качестве прядильной добавки (28% масс. от массы сырья) использовался поливинилпирролидон (ПВП). Согласно расчетной массе YAG, в раствор было добавлено 5% масс. MgO. Затем смешанный раствор концентрировали с получением прядильного золя на водяной бане (60°С). Волокна геля были приготовлены путем погружения тонкого стеклянного стержня в прядильный золь и его медленного вытягивания (вручную) при комнатной температуре, максимальная длина гелевого волокна составляла около 80 см. Затем гелевые волокна сушили при температуре 60°С в течение 24 ч. Высушенные волокна спекали со скоростью нагрева 2°С /мин. до 1400-1600°С. После нагрева при 1400°С в течение 2 ч получали композитные волокна MAS/YAG. (Ma X, Lv Z, Tan Н, Nan J, Wang С, Preparation and grain-growth of magnesia-alumina spinel/yttrium aluminum garnet composite fibers, J. , 2018. Vol. 62(3), 279-284,).

Способы получения волокон смешанного оксидного состава: алюмо-магниевой шпинели (MgAl2O4) и алюмоиттриевого граната (Y3Al5O12) из расплава предкерамического полимера из патентной литературы не известны.

Наиболее близким к предлагаемому и принятый нами в качестве прототипа является способ получения модифицированных волокон оксида алюминия, заключающийся в расплавном формовании полимерных волокон при 60-160°С из волокнообразующих органоиттрийоксаналюмоксанов с мольным отношением Al:Y=100-200 или органомагнийоксаниттрийоксаналюмоксанов с мольным отношением Al:Y=160-200 и Al:Mg=160-200 с дальнейшей ступенчатой термообработкой до 1200-1300°С, приводящей к образованию керамических алюмооксидных волокон, модифицированных высокотемпературными соединениями иттрия или иттрия и магния, причем нагрев проводят по следующему режиму: от комнатной температуры до 500°С со скоростью 1°С/мин, от 500°С до 1300°С со скоростью 10°С/мин и последующей выдержкой в течение 10 мин, при этом термообработку осуществляют в атмосфере воздуха. (РФ №2716621, МПК: С04В 35/111, С04В 35/634, D01F 1/07, 2020 г.).

Задачей предлагаемого изобретения является получение керамических волокон смешанного оксидного состава: алюмомагниевой шпинели (MgAl2O4) и алюмоиттриевого граната (Y3Al5Oi2), формованием из расплава волокнообразующего полимера, с последующим пиролизом полимерных волокон до керамических волокон.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения керамических волокон смешанного оксидного состава: алюмомагниевой шпинели и алюмоиттриевого граната (MgAl2O4/Y3Al5O12), заключающийся в расплавном формовании полимерных волокон при 80-180°С из волокнообразующих органомагнийоксаниттрийоксаналюмоксанов с мольным отношением Al/Y=5,8-6,0 и Al/Mg=2,4-2,5 с дальнейшей ступенчатой термообработкой в атмосфере воздуха при 50 и 1500°С.

Получение волокон смешанного оксидного состава MgAl2O4/Y3Al5O12 осуществляют следующим образом: волокнообразующие органомагнийоксаниттрийоксаналюмоксаны, полученные согласно изобретению, описанному в патенте РФ №2644950 (МПК: С04В 35/443, C07F19/00, C08G79/14, 2018 г.) формуют на машине расплавного формования при температурах 110-180°С и наматывают на приемную шпулю с выбранной скоростью, выбранную в диапазоне 150-300 об/мин, в зависимости от получения желаемого диаметра волокна. Далее полимерные волокна снимают с приемной шпули, перекладывают на корундовые маты и подвергают их ступенчатой термообработке сначала с медленным нагревом (0,4-2°С/мин) до 500°С для удаления органической составляющей волокна, затем нагревают со скоростью 5-20°С/мин до 1300-1500°С с выдержкой до 30 мин. В результате получают высокотемпературные керамические волокна смешанного оксидного состава MgAl2O4/Y3Al5O12, диаметром 10-150 мкм.

Сущность изобретения иллюстрируется следующим примером.

Пример 1.

В предварительно нагретый до 110°С экструдер формовочной машины загружают 200 г волокнообразующего органомагнийоксаниттрийоксаналюмоксана с мольным отношением A1:Y≈6,0 и Al:Mg≈2,5. Задают скорость вращения приемной шпули 250 об/мин для вытягивания и намотки полимерного волокна. Затем намотанное полимерное волокно (Фиг. 1) снимают с приемной шпули, укладывают на корундовый мат и помещают в печь для дальнейшей термообработки (Фиг. 2). Нагрев проводят в атмосфере воздуха по следующему режиму: от комнатной температуры до 500°С со скоростью 1°С/мин. - отверждение волокна (Фиг. 3), от 500°С до 1300 и далее до 1500°С со скоростью 10°С/мин с выдержкой в течение 10 мин. Термообработка осуществляется в атмосфере воздуха. В результате получают керамические волокна смешанного оксидного состава MgAl2O4/Y3Al5O12 (Фиг. 4).

Элементный и фазовый составы керамических волокон смешанного оксидного состава MgAl2O4/Y3Al5O12 доказаны с помощью СЭМ и РФА.

Изучение морфологии поверхности полимерных и керамических волокон смешанного оксидного состава MgAl2O4/Y3Al5O12 и их элементного состава осуществлялось с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) совмещенного с энергодисперсионным анализатором (ЭДС). Результаты представлены на фиг. 5, 6.

Методом РФА определен фазовый состав керамических волокон смешанного оксидного состава MgAl2O4/Y3Al5O12 при 1300 и 1500°С (Фиг. 7а и 7б).

По данным РФА фазовый состав керамических волокон на основе органомагнийоксаниттрийоксаналюмоксанов с мольным отношением Al:Y≈6,0 и Al:Mg≈2,5 после пиролиза при 1300°С: MgAl2O4 - 79%масс., A12Y4O9 - 17%масс, Al5Y3Oi2 - 4%масс., следы A13Y5, а при 1500°С: MgAl2O4 - 77% масс. и Y3Al5Oi2 - 23% масс.(Фиг. 7а и 7б).

Похожие патенты RU2776286C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНАТОВЫХ ВОЛОКОН, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ХРОМОМ 2021
  • Щербакова Галина Игоревна
  • Абрамов Олег Николаевич
  • Шаухин Максим Константинович
  • Кривцова Наталья Сергеевна
  • Варфоломеев Максим Сергеевич
  • Стороженко Павел Аркадьевич
RU2767236C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВОЛОКОН ОКСИДА АЛЮМИНИЯ 2018
  • Щербакова Галина Игоревна
  • Апухтина Татьяна Леонидовна
  • Кривцова Наталия Сергеевна
  • Кутинова Наталья Борисовна
  • Жигалов Дмитрий Владимирович
  • Варфоломеев Максим Сергеевич
  • Воробьев Артем Андреевич
  • Стороженко Павел Аркадьевич
RU2716621C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНОМАГНИЙОКСАНИТТРИЙОКСАНАЛЮМОКСАНОВ, СВЯЗУЮЩИЕ И ПРОПИТОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ 2017
  • Щербакова Галина Игоревна
  • Кривцова Наталия Сергеевна
  • Кутинова Наталья Борисовна
  • Апухтина Татьяна Леонидовна
  • Варфоломеев Максим Сергеевич
  • Драчев Александр Иванович
  • Стороженко Павел Аркадьевич
RU2644950C1
ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИЕ ОРГАНОИТТРИЙОКСАНАЛЮМОКСАНЫ 2014
  • Щербакова Галина Игоревна
  • Кривцова Наталия Сергеевна
  • Кутинова Наталья Борисовна
  • Шатунов Валерий Владимирович
  • Мовчан Татьяна Леонидовна
  • Варфоломеев Максим Сергеевич
  • Сидоров Денис Викторович
  • Стороженко Павел Аркадьевич
RU2551431C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОПОЛИКАРБОСИЛАНОВ 2019
  • Щербакова Галина Игоревна
  • Блохина Мария Христофоровна
  • Жигалов Дмитрий Владимирович
  • Королев Александр Павлович
  • Кутинова Наталья Борисовна
  • Варфоломеев Максим Сергеевич
  • Драчев Александр Иванович
  • Стороженко Павел Аркадьевич
RU2712240C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНОМАГНИЙОКСАНАЛЮМОКСАНСИЛОКСАНОВ 2019
  • Щербакова Галина Игоревна
  • Похоренко Анастасия Сергеевна
  • Кривцова Наталья Сергеевна
  • Варфоломеев Максим Сергеевич
  • Новоковская Екатерина Александровна
  • Стороженко Павел Аркадьевич
RU2726365C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНОМЕТАЛЛОКСАНИТТРИЙОКСАНАЛЮМОКСАНОВ, СВЯЗУЮЩИЕ И ПРОПИТОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ 2017
  • Щербакова Галина Игоревна
  • Кривцова Наталия Сергеевна
  • Апухтина Татьяна Леонидовна
  • Варфоломеев Максим Сергеевич
  • Жигалов Дмитрий Владимирович
  • Королев Александр Павлович
  • Кутинова Наталья Борисовна
  • Стороженко Павел Аркадьевич
RU2668226C1
ТРЕЩИНОСТОЙКИЕ ВОЛОКНИСТЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ 2015
  • Милейко Сергей Тихонович
  • Колчин Андрей Александрович
  • Кийко Вячеслав Михайлович
  • Толстун Александр Николаевич
  • Новохатская Наталья Ивановна
RU2588534C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНОМАГНИЙОКСАНАЛЮМОКСАНОВ, СВЯЗУЮЩИЕ И ПРОПИТОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ 2016
  • Щербакова Галина Игоревна
  • Кривцова Наталия Сергеевна
  • Кутинова Наталья Борисовна
  • Апухтина Татьяна Леонидовна
  • Варфоломеев Максим Сергеевич
  • Стороженко Павел Аркадьевич
RU2615147C1
Способ изготовления керамических плавильных тиглей 2023
  • Варфоломеев Максим Сергеевич
  • Моисеев Виктор Сергеевич
  • Щербакова Галина Игоревна
RU2809398C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 776 286 C1

Реферат патента 2022 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОН СМЕШАННОГО ШПИНЕЛЬНО-ГРАНАТОВОГО СОСТАВА

Изобретение относится к способам получения волокон смешанного оксидного состава MgAl2O4/Y3Al5O12 для создания высокотемпературных керамокомпозитов с улучшенными механическими свойствами. Способ заключается в расплавном формовании полимерных волокон при 80-180°С из волокнообразующих органомагнийоксаниттрийоксаналюмоксанов с мольным отношением Al/Y 5,8-6,0 и Al/Mg 2,4-2,5 с дальнейшей ступенчатой термообработкой в атмосфере воздуха при 500 и 1500°С, при которой образуются керамические волокна смешанного оксидного состава: MgAl2O4 и Y3Al5O12. 1 пр., 7 ил.

Формула изобретения RU 2 776 286 C1

Способ получения керамических волокон смешанного оксидного состава MgAl2O4/Y3Al5O12, заключающийся в расплавном формовании полимерных волокон при 80-180°С из волокнообразующих органомагнийоксаниттрийоксаналюмоксанов с мольным отношением Al/Y 5,8-6,0 и Al/Mg 2,4-2,5 с дальнейшей ступенчатой термообработкой в атмосфере воздуха при 500 и 1500°С, приводящей к образованию керамических волокон смешанного оксидного состава: MgAl2O4 и Y3Al5O12.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2022 года RU2776286C1

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВОЛОКОН ОКСИДА АЛЮМИНИЯ 2018
  • Щербакова Галина Игоревна
  • Апухтина Татьяна Леонидовна
  • Кривцова Наталия Сергеевна
  • Кутинова Наталья Борисовна
  • Жигалов Дмитрий Владимирович
  • Варфоломеев Максим Сергеевич
  • Воробьев Артем Андреевич
  • Стороженко Павел Аркадьевич
RU2716621C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНОМАГНИЙОКСАНИТТРИЙОКСАНАЛЮМОКСАНОВ, СВЯЗУЮЩИЕ И ПРОПИТОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ 2017
  • Щербакова Галина Игоревна
  • Кривцова Наталия Сергеевна
  • Кутинова Наталья Борисовна
  • Апухтина Татьяна Леонидовна
  • Варфоломеев Максим Сергеевич
  • Драчев Александр Иванович
  • Стороженко Павел Аркадьевич
RU2644950C1
ШИХТА НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОЧНОЙ КЕРАМИКИ 2019
  • Непочаев Юрий Кондратьевич
  • Богаев Александр Андреевич
  • Плетнев Петр Михайлович
  • Маликова Екатерина Владимировна
RU2730229C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОЗРАЧНОЙ КЕРАМИКИ АЛЮМОИТТРИЕВОГО ГРАНАТА 2015
  • Балабанов Станислав Сергеевич
  • Гаврищук Евгений Михайлович
  • Дроботенко Виктор Васильевич
  • Палашов Олег Валентинович
  • Пермин Дмитрий Алексеевич
  • Ростокина Елена Евгеньевна
RU2584187C1
Способ подготовки шихты 1981
  • Зелинский Владимир Юрьевич
  • Лиенко Владимир Александрович
  • Хабас Томара Андреевна
SU1011602A1
US 5378665 A1, 03.01.1995.

RU 2 776 286 C1

Авторы

Щербакова Галина Игоревна

Кутинова Наталья Борисовна

Воробьев Артем Андреевич

Абрамов Олег Николаевич

Кривцова Наталья Сергеевна

Похоренко Анастасия Сергеевна

Варфоломеев Максим Сергеевич

Апухтина Татьяна Леонидовна

Жигалов Дмитрий Владимирович

Стороженко Павел Аркадьевич

Даты

2022-07-18Публикация

2021-04-23Подача