Композиция для изготовления керамических изделий Советский патент 1989 года по МПК C04B35/00 C04B35/632 

Изобретение касается композиции, включающей керамический материал в форме частиц, формованного изделия, подученного из такой композиции, и продукта из этого формованного изделия, в котором частицы керамического материала подвергнуты спеканию с целью уплотнения продукта.

Если керамический материал в форме частиц и жидкая среда выбраны таким образом, что композиция имеет коэффициент трения менее 0,2 и отношение сторон частиц не превышает 1,7, то из этого керамического материала в форме частиц и из жидкой среды возможно получение однородной композиции, которая легко формуется способами, принятыми в производстве пластиков или резины, с образованием формованного изделия большого размера и сложной формы, которое может содержать большую пропорцию керамического материала, и возможно получение из этого формованного изделия спеченного продукта, обладающего высокими рабочими характеристиками, который имеет высокое содержание керамического материала и плотность которого может быть близка или даже достигать теоретическую плотность.

СП

о

4

СМ

31505

Композиция, содержащая керамический материал в форме частиц и жидкую среду, с коэффициентом трения более чем 0,2 и/или отношением сторон час тиц (коэффициентом формы) более 1,70, значительно менее легко формуется, затруднено получение из этой композиции когезионно связанного формованного изделия способами, принятыми в производстве пластиков и резины.

Коэффициент трения композиции определяют следующим образом.

Композицию, содержащую керамичес- кий материал и жидкую среду с желаемой объемной пропортщей керамического материала в форме частиц, тщательно перемешивают, частицы керамического материала диспергируются, например, под воздействием высокого усилия сдвига. Композицию помещают на плоскую поверхность, так, чтобы высота этой композиции составляла не менее 18 мм. После этого на компо- зицию накладывают цилиндрический плунжер диаметром 13 мм так, чтобы вся поверхность торца этого плунжера находилась в контакте с композицией, и нагрузку на плунжер увеличивают до 5000 Н. При такой нагрузке определяют толщину t композиции между плунжером и плоской поверхностью. Коэффициент трения равен

4

( 3Tl37t- Испытание должно осуществляться в интервале скоростей плунжера 1- 100 мм/мин, и в этом интервале должно быть лишь одно значение скорости, при котором коэффициент трения составляет менее 0,2.

Коэффициент трения, зависит от размера частиц керамического материала, распределения частиц по размеру, фор мы частиц, т.е. отношения сторон, степени скопления частиц и типа жидкой среды. Данные параметры взаимосвязаны.

Частицы керамического материала имеют предпочтительно небольшой раз- ме р7 например менее 5 мкм.. Частицы размером менее 1 мкм и даже менее 0,2 мкм являются более предпочтительными, поскольку использование таких частиц обеспечивает возможность спекания частиц керамического материала, которое осуществляется при более низких температурах и с

более высокими скоростями, чем при других условиях.

Керамический материал в форме частиц может иметь монофракционный или полифракционный состав.

Желательно, чтобы коэффициент вариации размера частиц керамического материала, т.е. отношение стандартного отклонения размера к среднему размеру, находится в пределах 0- 0,5, причем данный размер является максимальным, определяемым с помощью микроскопа. Так, желательно, чтобы

V.

1 О -0,5,

5 0

д

,

. 5

5

где V - коэффициент вариации (или коэффициент отклонения) размера;

S - стандартное отклонение относительно среднего размера;

Xg - средний размер частиц. I

Частицы керамического материала должны иметь среднее значение отношения сторон менее 1,70. Для того, чтобы композиция легче формировалась, особенно когда она имеет высокое содержание керамического материала в форме частиц, желательно, чтобы отношение сторон частиц керамического материала составляло менее 1,50 и чтобы коэффициент вариации отношения сторон, т.е. отношение стандартного отклонения отношения сторон к среднему отношению сторон, находился в пределах 0-0,5. Использование такого керамического материала в форме частиц способствует однородному спеканию. Так, желательно, чтобы

V О - 0,5,

а

где V - коэффициент вариации отношения сторон;

Sg - стандартное отклонение относительно среднего отношения сторон,

Хд - среднее отношение сторон. Жидкая среда может представлять собой водную Хпредпочтительно) или неводную среду, содержит органический полимерный материал в растворе или дисперсии в жидкости. Предпочтитель- Hbw полимерным материалом для получения способных к формованию композиций, имеющих желаемый коэффициент трения, является гидролизованный полимер или сополимер винилового сложного эфира, особенно гидролизованный полимер или сополимер винилацетата. Степень гидролиза полимера или сополимера винилацетата составляет предпочтительно не менее 50%.

Композиция должна быть равномерно перемешана.Перемешивание компонентов композиции для получения однородной композиции осуществляется предпочтительно в условиях воздействия высоких сдвигаю1цих усилий, например, в ч ервячном зкструдере или в двухвалковой мельнице, валки которой могут вращаться с одинаковыми или различными окружными скоростями. Данная композиция может быть повторно пропущена через отверстие между валками мельницы, и это отверстие может прогрессивно уменьшаться в размере. Отверстие между валками мельницы может быть уменьшено до О,1 мм, в результате чего на композицию действует очень большое сдвиговое усилие, что способствует расщеплению скоплений частиц керамического материала, которые могут присутствовать в композиции.

Композиция может быть сформована например, путем прессования в форме, продавливания, инжекционного прессования, и особенно путем каландиро вания в двухвалковой мельнице с образованием листового материала. Так, например, перемешивание компонентов композиции и формование композиции может осуществляться одновременно в двухвалковой мельнице.

Для того, чтобы композиция могла формоваться при относительно низких давлениях желательно, чтобы нормаль- ньй предел текучести композиции составлял менее 1 МПа. Определение предела текучести может осуществляться при определении коэффициента трения. Предел текучести Y определяется следующей формулой:

Y 0,0075 F (МПа),

где F сила, необходимая для цилиндрического плунжера диаметром 13 мм для уплотнения композиции от толщины не менее 18 мм до толщины 13 мм, Н. Формованное издefIиe подвергают дальнейшей обработке (сушке) с целью удаления жидкой среды или летучих компонентов данной жидкой среды.

Сушка может осуществляться в печи, например, при теммпературе до

100° С

или несколько вьш1е, особенно когда в качестве жидкой среды используют воду.

Температура, при которой происходит спекание частиц керамического материала, зависит от типа керамического материала (обычно более 1000°С, может быть более 1500 с).

Пример 1. Компоненты композиции:

керамический материал в форме частиц - TiO с ,49; „ 0,472; V 0,32; х 0,19 мкм; S 0,0669 мкм; V 0,35; плотностью 4,05 г/см , органический лолимерньй материал - гидролиэованный на 80% поливинил- ацетат (bohsenoL КН 17 S) и воду - перемешивали в следующих объемных соотношениях, об.%:

Т10„

55,8

5

0

5

0

5

0

Органический полимерный

материал13,1

Вода31,1

Коэффициент трения

композиции составлял 0,05.

Данная композиция легко формовалась в двухвалковой мельнице и получалась композиция в форме когезион- но связанного листа. Уплотняющаяся фракция частиц TiO в формованной ко -шозиции составляла 55,8%, что соответствовало ее пропорции в исходной композиции, указывая на то, что данный лист не содержал воздух. После нагревания с целью испарения воды (ИЗ листа уплотняющаяся фракция частиц TiOj составляла 60%, показывая тем самым, что испарение воды сопровождалось усадкой.

Полученное формованное изделие, из которого была удалена вода, нагревали до

со скоростью повы5

шения температуры 1 С/мин в печи с целью выжигания гидролизованного поливинилацетата. Затем изделие нагревали в печи при 1300°С в течение 1 ч с целью спекания частиц TiO.

Прочность на изгиб полученного спеченного продукта определяли методом трехточечного испытания на изгиб. Прочность на изгиб равна 241+-29 OTa, модуль Вейбулла 8,4.

Для сравнения приготавливали композицию, содержащую 50 об.% TiO, как указан вьш1е, и 50 об.% воды. Компоненты перемешивали в смесителе

715

орбитального действия. Смесь была рассыпчатой и довольно сухой и не могла быть сформована в однород- ную когезионно связанную композицию. Коэффициент трения смеси составлял 0,39.

Пример 2. Компоненты композиции: керамический материал - SiO с X, 1,31; Sg 0,217; V 0,167; х. 0,13 мкм; Sg 0,003 мкм; V 0,384; плотностью 2,2 г/см ; органический полимерный материал - гидролизован- ный на 80% поливиниладетат (Gohsenol KH17S) и воду перемешивали в следую- щих объемных соотношениях, об.%:

SiO,

63,8

Органический полимерный материал 8,2 Вода28,0

Коэффициент трения данной композиции составлял 0,1.

Данная композиция легко формовалась в двухвалковой мельнице с получением композиции в форме когезион- но связанного листа.

П р и м е р 3. Ko moнeнты композиции: керамический материал в форме частиц, как в примере 1, органичес;;и. полимерный материал, как в пример-., 1, и воду перемешивались в следующих объемш.гх соотношениях, об.%:

Tie.

50

Органический полимерный материал6,4 Вода 43,6 Коэффициент трения композиции составлял0,04. Среднее отношение сторон частиц керамического материала и коэффициен трения композиции были меньше нижних пределов. Данная композиция могла легко формоваться в двухвалковой мельнице с получением формованного изделия в виде когезионно связанного листа.

Пример 4. Осуществляли по примеру 2 с той разницей, что не использовали органический полимерный материал и кo moзиция содержала 50 об.% 510,и 50 об.% глицерина (вместо воды) .

Коэффициент трения данной KONmo- зиции составлял 0,03, предел текучести - 0,1 МПа. Данная композиция была текучей и легко формовалась.

Пример 5. Компоненты композиции: керамический материал в форме частиц , с Хд 1,443; 5д

5

0

5

0

5

о

0

5

8

0,367; Уд 0,25; х 0,251 мкм; Sg 0,108 мкм; V 0,43; плотностью 3,97 г/см , брганический полимерный материал, в примере 1, и воду - перемешивали в cлeдyюDц x объемных соотношениях, об.%:

AljOj50

Органический полимерный материал16.6

Вода33,4

Коэффициент трения композиции составлял0,03,

предел текучести-0,71 МПа.

Данная композиция МОгла легко формироваться в двухвалковой мельнице с образованием когезионно связанного листа. Лист нагревали с целью испарения воды. Полученное формованное изделие, из которого удалена вода, нагревали со скоростью повышения температуры 1°С/мин до в печи с целью выгорания гидролизованного поливинилацетата, затем изделие нагревали в печи при. 1550 С в течение 0,3 ч с целью спекания частиц А1 0.

Прочность на изгиб полученного спеченного продукта составляла 274+ МПа (Модуль Вейбулла 27).

П р и м е р 6. Осуществляли как в примере 5, с той разницей, что композиция содержала, об.%:

Al Oj52,82

Органический полимерный материал17,59 Вода 29,57 Коэффициент трения этой композиции составлял 0,19, предел текучести - 0,26 Ша. Данная композиция могла формоваться с образованием когезионно связанного листа.

Формула изобретения

1. Композиция для изготовления керамических изделий, включающая порошкообразный керамический материал из группы SiO, AljOj, TiOjj, SiC и свя- зукидее,содержащее воду или глицерин и гидролизованный поливинилацетат или полиакриламид, отличающая- с я тем, что, с целью получения изделий сложной формы с высокой прочностью, она содержит компоненты в следующем соотношении, об.%: Указанный керамический материал50-63,8

Вода или глицерин28-43,6

Гидролизованньй поливинилацетат или

полиакриламид6,4-17,59

причем среднее значение отношения сторон частиц порошкообразного кера- {иического материала не превьшает 1,70, а коэффициент трения композиции не превьппает 0,2.

2.Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что частицы керамического материала имеют размер менее 5 мкм, преимущественно менее

1 мкм.

3.Композиция по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что коэффициент вариации размера частиц

10

15

10

керамического материала находится в пределах 0-0,5

4.Композиция по пп. 1-3, отличающаяся тем, что среднее значение отношения сторон частиц порошкообразного керамического материала не превышает 1,50.

5.Композиция по пп. 1-4, отличающаяся тем, что коэффициент вариации отношения сторон частиц керамического материала находится в пределах 0-0,5.

6.Композиция по пп. 1-5, отличающаяся тем, что коэффициент трения не превьш1ает 0,1, преимущественно 0,05,

Изобретение касается композиций для получения керамических изделий и может быть использовано при изготовлении конструкционной керамики с высокими свойствами. Целью изобретения является получение изделий сложной формы с высокой прочностью. Для этого используют композицию, содержащую следующие компоненты, об.%: порошкообразный керамический материал из группы: SIO₂, AL₂O₃, TIO₂, SIC 50-63,8

вода или глицерин 28-43,6

гидролизованный поливинилацетат или полиакриламид 6,4-17,59, причем частицы керамического материала имеют размер *985 MKM, пРЕиМущЕСТВЕННО MEHEE 1 MKM, пРи КОэффициЕНТЕ ВАРиАции иХ РАзМЕРА 0-0,5, СРЕдНЕМ СООТНОшЕНии CTOPOH ≤1,50, КОэффициЕНТЕ ВАРиАции ОТНОшЕНия CTOPOH 0-0,5, A КОэффициЕНТ ТРЕНия КОМпОзиции HE пРЕВышАЕТ 0,1, пРЕиМущЕСТВЕННО 0,05. ФОРМОВАННОЕ издЕлиЕ из TIO₂ после обжига при 1300°С в течение 1 ч имело σ_изг 241±29 МПа, модуль Вейбулла 8,4, а из AL₂O₃-соответственно 274±1 МПа и 27.