Композиционный керамический материал

 

Изобретение относится к композиционным керамическим материалам, проявляющим диэлектрические свойства и способность поглощения мощности микроволнового излучения. Предлагаемый материал содержит порошкообразную смесь соединения на основе оксидов и карбида кремния, причем в качестве соединения на основе оксидов он содержит лейкоксеновый концентрат - продукт переработки титаноносной нефтесодержащей руды и карбид кремния, включающий 12-16% модификатора, состоящего из силицида железа, оксидов алюминия и кремния, при следующем соотношении компонентов, мас. %: лейкоксеновый концентрат - 1,0-70,0; карбид кремния модифицированный - 99,0-30,0. Новый композиционный керамический материал имеет высокий коэффициент рассеяния в МВ-излучении, равный 0,062-0,072.

Изобретение относится к композиционным керамическим материалам, проявляющим диэлектрические свойства и способность поглощения мощности микроволнового излучения. Материал может быть использован в качестве элемента микроволновых печей широкого профиля, а также как радиопоглощающее покрытие в различных областях техники.

Известен керамический диэлектрический материал, количественный состав основных компонентов которого, моль: BaO - 10:20; ТiO - 0:75; ReO - 10:25; BaO + ТiO + ReO = 100, где Re - по крайней мере один элемент из группы редкоземельных металлов (патент США 5292694, МКИ C 04 D 35/46, опубл. 8.03.94). Являясь диэлектриком, материал может работать в СВЧ-диапазоне, в частности поглощать мощность микроволнового излучения на частоте 2450 МГц.

Но при получении известного материала используют чистые оксиды, в частности оксиды РЗЭ и титана, которые являются товарным продуктом и получение которых связано с дополнительными технологическими и электрическими затратами.

Известен диэлектрический материал, содержащий керамические порошки, поглощающие МВ-излучение, например, тальк, каолин, силикаты, Al₂O₃ и(или) алюмосиликаты, 15-98% карбидного, нитридного и(или) боридного керамического порошка (предпочтительно SiC, TiC, ZrC, HfC, VC, TaC, MoC, NbC, TiB, TiN, ZrB, ZrN) (патент США 5194408, МКл C 04 B 35/52, опубл. 16.03.93). Для получения известного материала используют как минеральное сырье (каолин, тальк), так и соединения, являющиеся товарным продуктом (карбидные, нитридные, боридные порошки).

В настоящее время остается актуальной проблема более широкого использования минерального сырья при производстве новых керамических материалов. Подобная проблема имеет как экологическое, так и экономическое значение.

Таким образом, перед авторами стояла задача расширить сырьевую базу получения керамических материалов, обладающих способностью поглощения МВ-излучения за счет использования в качестве исходного нового минерального сырья.

Поставленная задача решена в предлагаемом композиционном керамическом материале, состоящем из порошкообразной смеси соединения на основе оксидов и карбида кремния, причем материал содержит карбид кремния, включающий 12-16% модификатора, состоящего из силицида и оксидов алюминия и кремния, и в качестве соединения на основе оксидов - лейкоксеновый концентрат - продукт переработки титаноносной нефтесодержащей руды при следующем соотношении компонентов (мас.%): Лейкоксеновый концентрат - 1 - 70 Карбид кремния - 99 - 30 Модифицированный - 99 - 30 В настоящее время из патентной и научно-технической литературы неизвестен композиционный материал, поглощающий МВ-излучение, и состоящий из порошкообразной смеси лейкоксенового концентрата и модифицированного карбида кремния в заявленном интервале содержания компонентов.

Лейкоксеновый концентрат получают после отжига и химической обработки титаноносной нефтесодержащей руды, которые проводят для удаления нефти и концентрирования полезных компонентов. Лейкоксеновый концентрат используют в промышленных целях для производства пигмента на основе диоксида титана, губчатого титана, металлического диоксида титана. Использование в предлагаемом техническом решении лейкоксенового концентрата в качестве соединения на основе оксидов и модифицированного карбида кремния позволяет получить композиционный материал с высоким коэффициентом рассеяния микроволнового излучения. При этом на свойства предлагаемого материала оказывают влияния как количественное соотношение между компонентами, так и количество модификатора.

Так при содержании в материале лейкоксенового концентрата менее 1,0%, а модифицированного карбида кремния более 99,0% коэффициент рассеяния снижается (становится равным 0,062).

При содержании в материале лейкоксенового концентрата более 70%, а модифицированного карбида кремния менее 30% коэффициент рассеяния резко уменьшается (до 0,046).

Содержание модификатора обусловлено следующими причинами. При его содержании меньше 12% коэффициент рассеяния tg уменьшается и становится равным 0,05 - 0,06. Верхняя граница содержания модификатора (16%) обусловлена химической природой соединения. При большем его содержании происходит образование других химических соединений.

Предлагаемый композиционный материал может быть получен следующим образом.

Берут 1,0 - 70,0 мас.% лейкоксенового концентрата состава (мас.%): TiO₂ - 48,0 : 50,0; SiO₂ - 33,0 : 35,0; Fe₂O₃ - 5,5 : 7,8; Al₂O₃ - 4,5 : 7,0; остальное - примеси, и добавляют к нему 30,0 : 99,0 мас.% карбида кремния, включающего 12,0: 16,0% модификатора (силицид железа, оксиды алюминия и кремния). Размер частиц исходных компонентов, мкм: лейкококсенового концентрата - 1000 : 140, карбида кремния (модифицированного) - 63 и меньше. Исходные компоненты загружают в мельницу и перемешивают в течение 3 - 5 мин при комнатной температуре. Контролируют химический состав полученной порошковой смеси проведением химического, рентгенофазового и рентгеноспектрального анализов.

Для определения коэффициента рассеяния из полученного порошка методом прессования изготавливают образцы в виде кубика размером 3,0 · 3,0 · 3,0 мм под давлением 80 МПа. Коэффициент рассеяния (tg) определяют при частоте 3,31 ГГц (Т=295 К, мощность СВЧ - поля 1:5 мВТ).

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 105 г (71,0 мас.%) лейкоксенового концентрата с размером частиц 1000 - 140 мкм состава (мас.%): NiO₂ - 48,0; SiO₂ - 33,0; Fe₂O₂ - 5,5; Al₂O₃ - 4,5; остальное до 100% примеси, и добавляют к нему 45 г (30,0 мас. %) карбида кремния с размером частиц меньше 63 мкм, включающего 12% модификатора (силицид железа Fe₃C - 6% (2,7 г), оксид алюминия Al₂O₃ - 4% (1,8 г) и оксид кремния SiO₂ - 2% (0,9 г)). Исходные компоненты помещают в мельницу и перемешивают в течение 3 мин при комнатной температуре. Полученный порошковый материал выгружают.

По данным химического, рентгенофазового и рентгеноспектрального анализов материал состоит (мас.%): TiO₂ - 33,0; SiO₂ - 22,0; SiC - 24,0; Fe₂O₃ - 3,0; Al₂O₃ - 3,0; Fe₃Si - 2,0; остальное до 100% - примеси. Коэффициент рассеяния tg равен 0,072.

Пример 2. Берут 1,5 г (1,0 мас.%) лейкоксенового концентрата с размером частиц 1000 - 140 мкм состава (мас.%): TiO₂ - 50,0; SiO₂ - 35,0; Fe₂O₃ - 7,8; Al₂O₃ - 7,0; остальное до 100% - примеси, и добавляют 148,5 г (99,0 мас%) карбида кремния с размером частиц 63 и меньше, включающего 16% модификатора (силицид железа Fe₃C - 8% (11,8 г), оксид алюминия Al₂O₃ - 5,33% (7,92 г) и оксид кремния SiO₂ - 2,67% (3,96 г). Исходные компоненты помещают в мельницу и перемешивают в течение 5 мин при комнатной температуре. Полученный порошковый материал выгружают.

По данным химического, рентгенофазового и рентгеноспектрально анализов материал состоит (мас. %): TiO₂ - 50,0; SiO₂ - 35,0; Fe₂O₃ - 0,07; SiC - 88,0; Al₂O₃ - 3,0; Fe₃Si - 7,0; остальное примеси до 100%. Коэффициент рассеяния tg равен 0,064.

Таким образом, авторами предлагается новый композиционный материал с высоким коэффициентом рассеяния в МВ-излучении, для получения которого используют минеральное сырье - лейкоксеновый концентрат.

Формула изобретения

Композиционный материал, содержащий порошкообразную смесь соединения на основе оксидов и карбида кремния, отличающийся тем, он содержит в качестве соединения на основе оксидов лейкоксеновый концентрат - продукт переработки титаноносной нефтесодержащей руды и карбид кремния, включающий 12 - 16% модификатора, состоящего из силицида железа, оксидов алюминия и кремния, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Лейкоксеновый концентрат - 1,0 - 70,0 Карбид кремния модифицированный - 99,0 - 30,0