Композиционный материал для высокопрочной керамики и способ его получения

 

Использование: для изготовления высокопрочных керамических изделий. Сущность изобретения: материал включает в мас.%: твердый раствор оксида железа и диоксида циркония 85-92, моноклинный диоксид циркония 8-15. Твердый раствор содержит 5,9-27,1 мас.% оксида железа. Материал получают разложением водных растворов нитратов циркония и железа в низкотемпературной плазме. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к композиционному материалу на основе твердого раствора оксида железа и диоксида циркония, применяемому для изготовления высокопрочных керамических изделий, и способу его изготовления.

Известна шихта для изготовления керамических изделий, содержащая стабилизированный диоксид циркония в количестве 90-98 вес. и оксид железа в количестве 2-10 вес. [1] Недостатком шихты является применение дефицитных и дорогостоящих добавок для стабилизации диоксида циркония.

Наиболее близким к заявленному является керамический материал на основе твердых растворов системы: диоксид циркония оксид иттрия оксид железа, содержащий 1,5 мас. оксида иттрия и 1,5 мас. оксида железа [2] Недостатком этого материала также является содержание в его составе дорогостоящего компонента оксида иттрия. Кроме того, обжиг керамических изделий, сформированных из указанного материала, необходимо проводить в атмосфере кислорода для того, чтобы не допустить снижения их прочности [3] что в целом усложняет процесс изготовления изделий.

Известен способ получения керамического материала на основе твердого раствора оксида иттрия, оксида железа и диоксида циркония совместным осаждением компонентов из водных растворов хлоридов соответствующих металлов аммиаком с последующей прокалкой порошков и их измельчением в шаровой мельнице мокрого помола с железными шарами. Молотый материал промывали соляной кислотой с последующей декантацией дистиллированной водой [2,3] Полученный материал в виде суспензии направляли на формирование изделий, их обжиг и шлифование.

Недостатком этого способа является многостадийность процесса и длительность отдельных операций (например, измельчение в шаровой мельнице происходит в течение 60 ч [3]).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения тонкоизмельченных огнеупорных окислов в плазменном струйном реакторе, включающий нагрев при 3000-12000^oC паров солей по крайней мере одного компонента из группы: Si, Ti, Al, Zr, Fe и Sb со смесью кислорода с воздухом (прототип способа)[4] Однако этот способ не обеспечивает получения композиционного материала с высокими прочностными характеристиками.

Задачей изобретения является создание композиционного материала для высокопрочной керамики без дорогостоящих и дефицитных стабилизирующих добавок и разработка способа его получения.

Поставленная задача решается тем, что композиционный материал для высокопрочной керамики на основе твердого раствора оксида железа и диоксида циркония, включающий моноклинный диоксид циркония, имеет следующий состав, мас.

твердый раствор оксида железа и диоксида циркония 85-92 моноклинный диоксид циркония 8-15 при этом твердый раствор содержит 5,9 27,1 мас. оксида железа.

Размер частиц материала не превышает 0,8 мкм.

Поставленная задача решается также тем, что в способе получения композиционного материала, включающем высокотемпературное разложение солей циркония и железа в низкотемпературной плазме, разложению подвергают распыленные водные растворы нитратов циркония и железа.

Композиционный материал, состоящий из твердого раствора оксида железа и диоксида циркония и моноклинного диоксида циркония, получают следующим образом.

Готовят исходный водный раствор нитратов циркония и железа в заданном соотношении. Водный раствор распыляют в поток низкотемпературной воздушной плазмы. В результате разложения распыленного раствора в условиях низкотемпературной плазмы образуется тонкодисперсный порошок композиционного материала заданного состава. Порошок выделяют из газового потока в пылеулавливающей системе, снабженной сепарирующим устройством.

Плазменная обработка исходного раствора позволяет получить композиционный материал с высоким содержанием оксида железа в твердом растворе. В процессе экспериментальных исследований получен материал с содержанием оксида железа в твердом растворе до 27,1 мас.

Для дальнейших испытаний использованы партии материала состава: твердый раствор оксида железа и диоксида циркония (с содержанием оксида железа в нем 5,5-27,1 мас.) 80-92 мас. моноклинный диоксид циркония 8-20 мас.

Для изготовления образцов керамических изделий из каждой партии полученного порошка были отобраны фракции с размером частиц ≅0,8 мкм. Из них были изготовлены образцы путем холодного прессования порошка и следующего обжига. Охлажденные образцы шлифовали алмазным инструментом до размера 5х5х50 мм и испытывали.

Прочностные характеристики образцов керамических изделий в зависимости от состава материала, полученного в процессе плазменного разложения распыленных исходных растворов, приведены в таблице.

Как видно из таблицы, заявляемый состав композиционного материала обеспечивает высокие прочностные характеристики образцов керамики: предел прочности при изгибе 910-1090 МПа, трещиностойкость 8,8-11,9 МПа · м^0,5 и твердость 9,1-10,8 ГПа (опыт 1-9).

Источники информации: 1. Авт. св N 464567, МПК C 04 B 35/48, 1975. 2. Пейчев В.Г. Плинер С.Ю. Дабижа А. А. Высокопрочная керамика из диоксида циркония с добавкой оксидов иттрия и железа./ Стекло и керамика. 1991. N 3. С. 26 (прототип материала). 3. Авт.св N 1761722, МПК C 04 B 35/48, 1992. 4. Патент США N 3574546, МПК C 02 G 1/02, 1971. (прототип способа).

Формула изобретения

1. Композиционный материал для высокопрочной керамики на основе твердого раствора оксида железа и диоксида циркония, включающий моноклинный диоксид циркония, отличающийся тем, что он имеет следующий состав, мас.

Твердый раствор оксида железа и диоксида циркония 85 92 Моноклинный диоксид циркония 8 15 при этом твердый раствор содержит 5,9 27,1 мас. оксида железа.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что имеет размер частиц не более 0,8 мкм.

3. Способ получения композиционного материала, включающий высокотемпературное разложение солей циркония и железа в низкотемпературной плазме, отличающийся тем, что разложению подвергают распыленные водные растворы нитратов циркония и железа.

РИСУНКИ

Рисунок 1