Способ получения керамики из титаната алюминия tonalox - tcs

 

Использование: в металлургии, химии, машиностроении, энергетике для изготовления изделий разнообразного назначения. Сущность изобретения: способ получения реакционноспеченной керамики из титаната алюминия включает смешивание порошков кремния, диоксида титана и нитрида алюминия, взятых в соотношении, мас.%: нитрид алюминия 47,5 - 51,9; диоксид титана 45 - 50,0; кремний 0,1 - 5,0, приготовление шихты, например, путем их совместного помола, и формовочной массы, формирование керамических заготовок и последующий обжиг этих заготовок в кислородсодержащей атмосфере до прекращения изменений их массы. После охлаждения получают спеченную керамику из титаната алюминия, выход которого повышен до 112 - 113%. Способ позволяет интенсифицировать процесс получения керамических изделий, повысить съем продукции с единицы площади или оборудования. Получаемая керамика имеет тонкозернистую структуру и обнаруживает повышенный предел прочности при пониженных значениях термического коэффициента линейного расширения. 1 табл.

Изобретение относится к способам получения поликристаллических керамических материалов на основе двойных оксидов и может быть использовано в металлургии, химии, машиностроении, энергетике и т.п.

Титанат алюминия (Al₂TiO₅) и керамика на его основе известны и привлекают внимание исследователей благодаря ряду уникальных свойств, таких как высокая температура плавления (1860^оС), очень высокая термостойкость, сравнительно низкий коэффициент термического расширения при достаточно высоких температурах и др. Однако до 80-х годов не удавалось получить достаточно прочную керамику из титаната алюминия с удовлетворительной термостабильностью, что существенно сдерживало его промышленно-техническое применение.

В основе всех существующих технологий лежит двухстадийный процесс получения сначала качественного порошка титаната алюминия (тиалита), а затем уже керамических изделий из титаната алюминия.

Известен способ получения керамики из титаната алюминия путем прессования заготовок из порошка, предварительно синтезированного путем твердофазного взаимодействия между оксидами титана и алюминия, титаната алюминия при давлении 69 МПа и их последующего обжига на воздухе при 1623-1923 К в течение 1-3 ч [1] Однако при этом получают теалитовую керамику с крупнокристаллической структурой, низкими прочностью и термостойкостью.

Керамику с меньшим размером зерен можно получить, используя на первой стадии прием плавления шихты из смеси оксидов алюминия и титана с добавками 1-15% оксидов иттрия, скандия, лантана, циркония, кремния, железа или титанатов кальция, магния, железа с последующей сверхбыстрой закалкой расплава. Полученный титанат алюминия подвергали тонкому помолу, вводили временную технологическую связку и после формования заготовок осуществляли обжиг при 1770 К в течение 3 ч на воздухе.

По другому способу [2] снижение размера зерен тиалитовой керамики возможно при использовании на первой стадии приема совместного соосаждения гидрооксидов. Так, путем предварительного синтеза порошка титаната алюминия при 1270-1670 К в течение 3 ч из твердых растворов гидрооксидов алюминия и титана, полученных их совместным соосаждением, с его последующим измельчением, введением связки, прессованием заготовок при 100 МПа и обжигом на воздухе при 1670-1870 К в течение 3 ч получают тонкозернистую, но малопрочную и довольно пористую керамику из титаната алюминия [3] Желаемое снижение пористости образцов после высокотемпературного обжига при 1970 К сопровождается нежелательным аномальным ростом зерен, керамика имеет зерна с размером 20-60 мкм, и только используя прием горячего прессования, удается получить тонкозернистую, плотноспеченную и высокопрочную тиалитовую керамику [2] что, однако, не всегда целесообразно и экономически оправдано в силу специфики операции горячего прессования.

В основе одностадийных технологий получения керамики из титаната алюминия лежит принцип совмещения процессов синтеза и спекания в одну стадию. Эти процессы протекают, как правило, по твеpдофазному механизму, а их скорость лимитируется скоростью гетеродиффузии, которая очень сильно зависит от дисперсности исходных компонентов, что предполагает использование ультрадисперсных исходных порошков, полученных различным физико-химическим путем, что означает использование сложных комбинированных технологий.

Известно [3] использование для получения керамики из титаната алюминия ультрадисперсных порошков диоксида титана (размер зерен 0,08 мкм), полученного по коксидной технологии, и оксида алюминия (размер зерен 0,3 мкм), полученного сублимационным методом, что становится экономически целесообразным только в случае использования такой керамики в уникальных конструкциях атомной или аэрокосмической техники.

Использование при одностадийной технологии обычных коммерческих порошков оксидов алюминия и титана связано, как правило, с необходимостью их тонкого помола и введения 5-20% различных добавок, таких, как оксиды железа, магния, кремния, олова, иттрия, лантана и других оксидов РЗЭ [4,5] что имеет как положительные, так и не совсем благоприятные последствия.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ получения керамики из титаната алюминия по одностадийной технологии путем приготовления эквимолярной смеси порошков рутила (TiO₂, размер зерен 35 мкм) и α -оксида алюминия (α -Al₂O₃, размер зерен 1 мкм) в процессе их совместного мокрого помола в шаровой мельнице с последующей сушкой суспензии, формования керамических заготовок путем одноосного прессования при 250 МПа и их обжига при 1575-1635 К в токе кислорода при давлении 0,1 МПа в течение до 100 ч [6] который выбран за прототип.

Однако в рамках этого способа 92%-ный выход титаната алюминия удается достичь только при 1635 К только за 100 ч выдержки, а полученная керамика имеет зерна с размером более 20 мкм. При меньших температурах и выдержках выход титаната алюминия резко снижается, при больших размеры зерен керамики увеличиваются до 40 мкм и более, а прочность при изгибе снижается до 1 МПа.

Цель изобретения увеличение выхода титаната алюминия и получение высокопрочной плотноспеченной керамики из титаната алюминия, размеры зерен которого не превышают 5-10 мкм.

Цель достигается тем, что в способе получения керамики из Al₂TiO₅ из шихты, приготовленной путем смешивания тонкодисперсных порошков диоксида титана и алюминийсодержащего компонента или путем их совместного помола, формования заготовок и их обжига в кислородсодержащей атмосфере, в качестве алюминийсодержащего компонента используют нитрид алюминия. Шихта дополнительно содержит порошок кремния при следующих количественных соотношениях, мас. нитрид алюминия 47,5-51,9; диоксид титана 45,6-50,0; кремний 0,1-5,0. Обжиг осуществляют до прекращения изменений массы керамических заготовок.

Сущность заявленного способа заключается в том, что смешивают порошки кремния, диоксида титана и нитрида алюминия и готовят шихту, например, путем совместного помола, в которую вводят временную технологическую связку в количестве 1-5 мас. (сверх 100%) и готовят формовочную массу, например, путем гранулирования до получения пресс-порошка, из которой формуют заготовки, например, путем прессования при 200-300 МПа. Высушенные заготовки обжигают при 1570-1970 К в кислородсодержащей атмосфере при парциальном давлении кислорода не менее 10 Па (10^-4 атм и более) до прекращения изменений их массы.

Таким образом, цель достигается за счет выбора состава исходной шихты, соотношения компонентов в ней и выбора условий термообработки, реализация которых позволяет по данным петрографического, рентгенофазового, ИК-спектрального и электронномикроскопического анализов получить тонкозернистую высокопрочную спеченную керамику из титаната алюминия, выход которого по сравнению с прототипом увеличен в 1,5-2,0 раза при одинаковых условиях обжига.

П р и м е р 1. Смешивали 99,8 г порошка нитрида алюминия (AlN, ч. ТУ 6-09-110-75), 100,0 г порошка диоксида титана (TiO₂, ч.д.а. ТУ 6-09-2166-77) и 0,2 г порошка кремния (Si, КрО, ГОСТ 2163-69) и подвергали помолу на планетарной мельнице до достижения величины удельной поверхности 15,5 м²/г. Получали шихту, содержащую, мас. нитрид алюминия 49,9; диоксид титана 50; кремний 0,1, в которую вводили 10 г воды (5 мас.) и гранулированием получали пресс-порошок. Заготовки формовали путем прессования при 250 МПа и обжигали их при 1870 К в воздушной атмосфере до прекращения изменений массы этих заготовок. После охлаждения получали 224,5 г спеченной керамики из титаната алюминия, выход которого составил чуть более 112% П р и м е р 2. Смешивали 103,8 г порошка нитрида алюминия (AlN, СВС, ТУ 88-20-40-82, S_у 12,1 м²/г), 96,0 г порошка диоксида титана (TiO₂, ОСЧ 7-3, ТУ 6-09-3811-79, S_у 8,9 м²/г) и 0,2 г порошка кремния (Si, КрО, ГОСТ 2163-69, S_у 10,4 м²/г) до получения шихты, содержащей, мас. нитрид алюминия 51,9; диоксид титана 48; кремний 0,1. В эту шихту вводили 6 г каучука (3 мас. сверх 100% ) и гранулированием получали пресс-порошок, из которого при 300 МПа прессовали заготовки. Обжиг отформованных заготовок осуществляли при 1870 К в воздушной атмосфере до прекращения изменений их массы. После чего производили операцию охлаждения и получали 225,5 г керамики из титаната алюминия, выход которого составил почти 113% П р и м е р 3. Смешивали 95 г порошка нитрида алюминия (AlN, ч. ТУ 6-09-110-75), 95 г порошка диоксида титана (TiO₂, ч.д.а, ТУ 6-09-2166-77) и 10 г порошка кремния (Si, КрО, ГОСТ 2163-69) и подвергали помолу на планетарной мельнице до достижения величины удельной поверхности 10,5 м²/г. Получали шихту, содержащую, мас. нитрид алюминия 47,5; диоксид титана 47,5; кремний 5,0, в которую вводили 2 г парафина (1 мас.) и гранулированием получали пресс-порошок. Заготовки формовали путем прессования при 100 МПа и обжигали их при 1770 К в воздушной атмосфере до прекращения изменений массы этих заготовок. После охлаждения получали 224 г спеченной керамики из титаната алюминия, выход которого составил 112% П р и м е р 4. Смешивали 98,8 г порошка нитрида алюминия (AlN, ПХС, ТУ 88 Латвии 033-83), 91,2 г порошка диоксида титана (TiO₂, ч.д.а, ТУ 6-09-2166-77) и 10 г порошка кремния (Si, КрО, ГОСТ 2163-69) и подвергали помолу на планетарной мельнице до достижения величины удельной поверхности 15,5 м²/г. Получали шихту, содержащую, мас. нитрид алюминия 49,4; диоксид титана 45,6; кремний 5,0, в которую вводили 8 г воска (4к мас.) и гранулированием получали пресс-порошок. После этого формовали керамические заготовки путем прессования при 100 МПа и обжигали их при 1770 К в воздушной атмосфере до прекращения изменений массы этих заготовок. Обожженные заготовки охлаждали и получали около 225 г спеченной керамики из титаната алюминия, выход которого составил почти 112,5% П р и м е р 5. В шихту, полученную по примеру 4, вводили 9 г парафина, 2 г воска и 2 г олеиновой кислоты и при перемешивании готовили формовочную массу, из которой при температуре 310 К, начальном давлении 1 МПа и конечном давлении 100 МПа формовали заготовки. После удаления временной технологической связки керамические заготовки обжигали на воздухе при 1720 К до прекращения изменений их массы. В результате чего после охлаждения получали 225 г спеченной керамики из титаната алюминия, выход которого составил 112,5% Основные свойства и характеристики полученной керамики из титаната алюминия представлены в таблице в сравнении с характеристиками прототипа.

Анализ полученных результатов и данных, представленных в таблице, показывает, что поставленная в изобретении задача решена получена тонкозернистая высокопрочная спеченная керамика из титаната алюминия при повышенном выходе последнего. Полученная таким способом тиалитовая керамика характеризуется пониженным размером зерен и повышенной прочностью при пониженном термическом коэффициенте линейного расширения, а также повышенной термостабильностью.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ ИЗ ТИТАНАТА АЛЮМИНИЯ TONALOX - TCS путем смешения порошков диоксида титана и алюминийсодержащего компонента, приготовления шихты и формовочной массы, формования заготовок и их последующего обжига в кислородсодержащей атмосфере, отличающийся тем, что в качестве алюминийсодержащего компонента используют нитрид алюминия, причем исходная шихта дополнительно содержит порошок кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%: Диоксид титана - 45,6 - 50,0 Нитрид алюминия - 47,5 - 51,9 Кремний - 0,1 - 5,0
а обжиг керамических заготовок осуществляют до прекращения изменений их массы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2