Способ изготовления электропроводящего керамического материала

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

1 (21) 5016385/33 (22) 30.0791 (46) 30.12.93 Бюл. Йа 47-48

{71) Коми научный центр Уральского отделения

PAH (72) Голдин БА; Рябков Ю.И„Секушин HA (73) Коми научный центр Уральского отделения

PAH (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

f57) Изобретение относится к способам получения материала нового типа - электропроводящей, стойкой к истиранию керамики. Сущность изобретения. в качестве исходного материала используют (В) RU (11) 2005114 С1 (51)5 С В 5 10 природный материал — светлые бокситы Верхнешугорского месторождения на среднем Тим а не, имеющие связующий химический состав. мас%:

Si0 15 — 5;Ti0 4,7-5;Fe 0 0,8 —.4,0;Са00,1-.

03; Mg00,1-01; К.0007-0g; Na 0 0,09-0,12;

Nb 0 03, Al 0 остальное. После обжига его no

25 яэ традиционнои технологии проводят дополнительную обработку материала путем пропускания через него электрического тока величиной

100-1200мА/см в течение 3 — 5 мин, не допуская

2 разогрева керамики свыше 200 С. Материал имеет сопротивление 8,7 -10,2 кОм. 2005114

Изобретение относится к способам получения материала нового типа — электропроводящей, стойкой к истиранию керамики, которая может быть использована для изготовления деталей ткацких станков, находящихся в механическом контакте с нитями, что позволяет снимать электростатические заряды, В отличие от металлических узлы из керамики этого типа имеют высокую стойкость к истиранию и значительно меньшую массу при тех же габаритах.

Известны способ получения ионных проводников на основе оксидов за счет примесной структурной разупорядоченности.

Эффект появления проводимости достигается благодаря введению примесей, например, оксида кальция в оксид циркония f1).

Важно, чтобы примесные катионы имели другую вал ентн ость по с ра вне н и ю с атомами основного оксида и могли бы образовывать твердые растворы, Наиболее хорошо изучены двойные соединения, общая формула которых имеет вид MOz-М О либо

MOz — Mz 03. Здесь M означает четырехвалентный металл,.например цирконий, гафний, церий, M — двухвалентный металл, например кальций, барий, стронций, M"— трехвалентный: скандий, иттрий. а также лэнтаноиды.

К недостаткам этих матерйалов отно-. сится следующее. Они стабильны лишь в узких интервалах температур и концентраций, подвержены при низких температурах старению, имеют достаточно сложную и дорогостоящую технологию, а также большинство из них обладают неудовлетворительными механическими свойствами, Наиболее близким по технической сущности является способ получения электропроводящего керамического материала на основе оксида АЬгОз (94 мас.%), в который вводят добавки TIOz, FezOs и МпОг f2). Обжиг этого материала производят в два этапа: первоначально на воздухе при

1400 — 1500 С. а затем в атмосфере водорода при той же температуре. Сопротивление полученнойкерамикесоставляетот3.10 до

1 10 Ом.м, что достаточно для отвода электростатических зарядов.

Недостатком данного способа является то, что в качестве исходного сырья используются чистые вещества. что повышает стоимость материала. Кроме этого, величина электропроводности относительно невели, ка, а это ограничивает область применения керамики.

Целью изобретения является удешевление технологии получения керамического материала и повышение его электропроводности.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве исходного сырья используют природный материал — светлые бокситы

Верхнещугорского месторождения на среднем Тимане, имеющие следующий химический состав, мас. : АЬОз 77; Я Ог 1,5 — 5,0;

TiOz 4,7 — 5,0; Fez03 + FeO = 0,8 — 4,0;

СаО 0,1 — 0,3; MgO 0,1-0,4; KzO 0,07 — 0,2; (чагО 0,09 — 0,12; ИЬг050,3, оксиды редкоземельных элементов < 0,1, потери при прокаливании 13 16. . После обжига его по традиционной

15 технологии для повышения электропроводности производят дополнительную обработку материала путем пропускания через него электрического тока величиной

100 — 120 мА/см в течение 3-5 мин, не допуг.

20 ская разогрев керамики свыше 200 С.

От способа-прототипа предлагаемый отличается заменой исходного сырья и введением второй стадии обработки — пропусканием электрического тока через

25 материал, которая следует после обжига исходного материала на первой стадии.

Способ осуществляют следующим образом, Берут образцы боксита упомянутого выше месторождения, состоящие, как показывает рентгенофазовый анализ, из бемита, в небольших количествах из каолинита, хлорита, гидрослюды, а также примесей рутила, гематита, карбоната и диаспора. Исходное сырье имеет следующий химический состав, мас.%: А1гОз 77; Я Ог 1,5 — 5,0, TiOz 4,7 — 5,0;

ГегОз + FeO 0,8 — 4,0; Са0 0,1-0,3; MgO 0,10,4; KzO 0,07 — 0,2; йаг О 0,09 — 0,12; NbzOs 0,3, оксиды редкоземельных элементов не бо40 лее 0,1, потери при прокаливании 13 — 16.

После помола до удельной поверхности

6500 см /г готовят пресс-массу смешиваниг ем порошка с 10%-ным раствором поливинилового спирта. Формование образцов производят путем прессования до давления

800 кгс/см . Предварительный обжиг прог водят с целью выжигания связки на воздухе при температуре Т = 1200 С в течение 2 ч.

После остывания образцов проводят второй обжиг в вакууме при Т = 1650 С s течение

4 ч. Как показал рентгенофазовый анализ, полученные образцы керамики состоят из корунда (83 мас,%), ильменорутила (около 6 мас.%), кианита (около 4 мас. %), а

55 также имеется метастэбильная мазав псевдоперовскит и некоторые другие. Керамика имеет темную окраску и следующие характеристики: пористость 2 — 4%; твердость по Виккерсу Н = 1550, прочность на

2005114

FezOa+ Fe0 0,8 - 4,0

Са0 0,1-0,3

СПОСОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРО- .М9О ПРОВОДЯЩЕГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕ 40 К20 0,07 - 0,2

РИАЛА, включающий фармование ни, Ма О 0,09 - 0,12 ,исходной шихты на основе AlgOg с добав brOs

TIO F O и е ва ительный обжиг; Oксиды Редкоземельных элеНе более 0,1

1 на воздухе, спекание в восстановительной

А1гОз остальное . атмос ере, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют светлые имеющие потери при прокаливании 13:;16, а после спекания через керамический окситы следующего химического состава, ,материал пропускают монотонно нараста;ющий электрический ток в течение 3 - 5

SiOz 50. мин до величины 100 - 120 мА см, не доТ1 02

;:пуская разогрева керамики свыше 200 С.

Составитель Н. Соболева

Редактор С. Кулакова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М Петрова

Формула изобретения

Заказ 3422

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, t01 изгиб (Ъэг. = 250 МПа, электрическое сопротивление 3 10 Ом м, Последняя величина з на два порядка меньше, чем у ранее предложенной керамики (2), Для дальнейшего уменьшения сопротивления на керамику наносят электроды, химическая природа которых не имеет значения (металл или углерод), и подключают напряжение около 30 В/мм, Ток через образец вследствие разогрева постепенно нарастает в течение 3-5 мин, Отключение тока производят по достижении температуры образца Т = 200 С, что соответствует плотности тока 100-120 мА/см .

Пример 1. Керамическая таблетка толщиной 3,7 мм и диаметром 12,5 мм сразу после напыления серебряных электродов имела сопротивление 138 кОм. После под- ключения на 4 мин напряжения 100 В ток возрос с нескольких мА да 100 мА, а температура образца составила 155 C. После остывания до комнатной температуры величина сопротивления равнялась 7,9.кОм, Контроль механических свойств ультразвуковым методом (31 не выявил каких-либо изменений. Такая же повторная обработка электрическим током до 120 мА привела к расту сопротивления до 8,7 кОм, Пример 2. Образец с такой же геометрией, как и предыдущий, но с электродами из углерода {ахводага) имел сопротивление около 300 кОм. После подключения напряжения 100 В за 6 мин ток через образец возрос до 160 мА, а температура достигла

250 С, После включения напряжения и астывания сопротивление составило 10,2 кОм, Изменения акустических характеристик в этом случае также не наблюдалось, Повторная обработка электрическим током да 170 мА привела к увеличению сопротивленияя до 14 кОм, Таким образом следует считать, что наибольший эффект повышен..я электропроводности достигается при пропускании монотонно нарастающего тока в течение

3 — 5 мин до величины 100 — 120 мА/см, не

2 допуская разо рева керамики свыше 200 С.

Физическая природа эффекта обусловлена, по-видимому, тем, что проводимость рассматриваемой керамики происходит па некоторым нестабильным, формирующимся в процессе прапускания тока, каналам. При значительных токах благодаря разогреву происходит с одной стороны увеличение поперечного сечения канала, а с другой — его стабилизация. В результате при выключении тока сформировавшиеся проводящие каналы сохраняются, обеспечивая увеличение проводимости в несколько раз. (56) 1.Гуревич Ю,Я. Твердые электролиты.

М„Наука, 1986, с.1?5, 2, Патент США N 4714640, кл, С 04 В 35/10, 1987.

3. Секушин Н,А., Колосов С.И, и Севба

О.А. Определение характеристик керамики с помощью ультразвука, Препринт Новые научные методики. Вып.31, Сыктывкар, 1989, с,12,