Шихта для изготовления керамического материала
Владельцы патента RU 2353600:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) (RU)
Изобретение относится к области получения изоляционных огнеупорных материалов на основе оксида алюминия и может быть использовано в производстве изоляторов металлокерамических ламп, свечей зажигания, изоляционных установочных деталей. Предложен новый состав шихты, включающий технический глинозем, активатор спекания, борную кислоту, растворимую соль магния, а также дополнительно карбонаты стронция и кальция при следующем соотношении указанных компонентов, мас.%: активатор спекания 5,0-12,0; борная кислота 1,0-3,0; растворимая соль магния 1,0-2,0; карбонат стронция 2,0-3,0; карбонат кальция 1,0-2,0 технический глинозем - остальное, до 100%. Активатор спекания представляет собой спек исходных компонентов: глинозема, кварцевого песка и карбоната магния. Введение в состав шихты карбонатов стронция и кальция обеспечивает повышение электрического сопротивления и снижение уровня диэлектрических потерь керамики, особенно в области высоких температур (300-500°С), а также уменьшение температуры обжига керамики и спекания металлизационного слоя при получении металлокерамических спаев. 1 табл.
Изобретение относится к области получения огнеупорных керамических составов, в частности к алюмооксидному материалу, и может быть использовано в производстве изоляторов металлокерамических ламп, свечей зажигания, деталей вакуумных дугогасительных камер, силовых полупроводниковых приборов и т.д.
Известна алюмооксидная керамика, шихта которой содержит 88-96% глинозема и активатор спекания, в качестве которого используется порошок стекла, получаемый путем плавления при 1500°С смеси, содержащей, мас.%: 7,4-8,1 MgO, 6,9-7,6 CaO, 25,5-32,2 Al2O3, 53,5-58,8 SiO2 (см. авт. св. №346284, МПК С04В 35/10).
Недостатком указанной керамики является необходимость отдельной варки стекломассы до полного ее оплавления при температуре до 1500°С и гранулирования стекла. Варка стекла при таких температурах требует специальных печей и огнеприпаса, что создает технологические трудности в серийном производстве алюмооксидной керамики.
Наиболее близкой к предлагаемому составу является шихта для изготовления керамического материала (см. Бердов Г.И., Гиндулина В.З., Павлова В.И., Лиенко В.А., Фурман М.А. Улучшение структуры и свойств алюмооксидной керамики // Стекло и керамика. - 1989, №7. - С.19-20) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| активатор спекания (стеклообразующая композиция) | 5,0 |
| борная кислота | 1,0 |
| MgO | 0,25 |
| технический глинозем | остальное, до 100,0% |
Активатор спекания является продуктом предварительного синтеза при температуре 1300-1340°С исходного состава, содержащего, мас.%:
| Al2O3 | 41,0 |
| SiO2 | 44,5 |
| MgO | 14,5 |
Недостатком указанной керамики является значительная величина диэлектрических потерь (tgδ) при повышенных температурах, что ограничивает применение такого материала в силовой электротехнике. Высокое значение tgδ обусловлено неизбежным присутствием в исходном глиноземе щелочных оксидов. Оксид бора вводится в состав шихты одновременно с предварительно синтезированным активатором спекания, что приводит к образованию боросиликатного стекла с растворением в нем боратов натрия и калия. Вследствие этого щелочные оксиды остаются в составе керамики.
Технической задачей является повышение уровня диэлектрических свойств алюмооксидной керамики путем введения в состав ее шихты комбинированной добавки, содержащей карбонаты стронция и кальция.
Согласно изобретению в состав шихты для получения керамического материала, содержащей технический глинозем, активатор спекания, борную кислоту, растворимую соль магния, дополнительно вводят карбонат стронция и карбонат кальция при следующем соотношении компонентов в мас.%:
| активатор спекания | 5,0-12,0 |
| борная кислота | 1,0-3,0 |
| растворимая соль магния | 1,0-2,0 |
| карбонат стронция | 2,0-3,0 |
| карбонат кальция | 1,0-2,0 |
| технический глинозем | остальное, до 100% |
причем активатор спекания представляет собой спек исходных компонентов: глинозема, кварцевого песка и карбоната магния.
Пример осуществления изобретения.
Для экспериментальной проверки были подготовлены 5 составов керамики, три из которых показали оптимальные результаты.
Для получения активатора спекания брались исходные компоненты в соотношении, мас.%:
| глинозем Г00 | 35,4 |
| молотый кварцевый песок | 38,4 |
| карбонат магния | 26,2 |
Порошки перемешивали мокрым способом в шаровой мельнице при соотношении масса:шары:вода, равном 1:1:1. Далее массу подсушивали, гранулировали до размера частиц 1-2 мм и обжигали при температуре 1300-1350°С. Полученный спек размалывали до удельной поверхности по ПСХ-2, составляющей около 10000 см2/г.
Подготовленный порошок активатора спекания, глинозем марки Г00 или Г0, борную кислоту, растворимую соль магния, карбонат стронция и карбонат кальция смешивали в соотношении, указанном в таблице.
Для равномерного распределения ионов магния по объему шихты, что в дальнейшем ограничивает рост кристаллов корунда, использовалась растворимая соль магния (нитрат или хлорид магния).
Шихта после перемешивания с влажностью около 10% обжигалась при температуре 1400-1500°С. Спек измельчался до получения суммарной поверхности 3000-5000 см2/г с добавлением 0,3 мас.% поверхностно-активного вещества (олеиновой кислоты). Шликер для горячего литья под давлением готовился с добавлением 11-13 мас.% термопластичной связки - парафина. Детали оформлялись методом горячего литья под давлением. Предварительный обжиг деталей, для удаления органической связки проводился при температуре 870-900°С, окончательный обжиг - при температуре 1570-1650°С.
В таблице приведены составы шихты керамики, температуры обжига изделий, температуры спекания металлизационного слоя на ней и диэлектрические свойства керамики. Другие свойства (механическая прочность, плотность, коэффициент термического расширения и т.д.) у материалов ВК95 - 1 и составов 1-5 примерно одинаковы и соответствуют техническим требованиям, предъявляемым к данному классу материалов.
Из таблицы следует, что шихта для изготовления керамического материала (составы №2, 3, 4) обладает более высокими диэлектрическими свойствами. Кроме того, обеспечивается снижение температуры при проведении технологических операций.
Введение в состав шихты карбоната стронция и карбоната кальция обеспечивает переход оксидов стронция и кальция при обжиге спека в состав стеклофазы керамики. При этом ионный радиус стронция (Sr2+ - 0,120 нм) близок к ионному радиусу иона калия (К+ - 0,133 нм), а иона кальция (Са2+ - 0,104 нм) - к иону натрия (Na+ - 0,098 нм). Таким образом, совместное введение соединений стронция и кальция обеспечивает их размещение в структурной сетке стекла, блокирующее возможное перемещение ионов щелочных металлов при действии электрического поля. Это и приводит к резкому уменьшению диэлектрических потерь и электрической проводимости керамики при повышенных температурах: диэлектрические потери снижаются на частотах 100 кГц-1 МГц при повышенных температурах (300-400°С) в 4-5 раз, а удельное объемное электрическое сопротивление керамики повышается в 10-15 раз.
Кроме того, снижается температура спекания керамики с 1670±10°С до 1610±10°С, температура прокалки изоляторов - с 1400-1450°С до 1270-1300°С, температура вжигания металлизационного слоя состава - Мо-Mn-Si с 1340±10°С до 1270±10°С.
| Таблица | ||||||
| Компоненты шихты | ВК95-1 (прототип) | Состав 1 | Состав 2 | Состав 3 | Состав 4 | Состав 5 |
| Глинозем | 88,5 | 87,4 | 87,0 | 85,0 | 81,0 | 80,6 |
| Активатор спекания | 8,0 | 4,5 | 5,0 | 8,0 | 12,0 | 12,5 |
| Борная кислота | 1,5 | 3,5 | 3,0 | 1,5 | 1,0 | 0,5 |
| Растворимая соль магния (нитрат магния) | 2,0 | 0,8 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,2 |
| Карбонат стронция | - | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5 |
| Карбонат кальция | - | 2,3 | 2.0 | 1,5 | 1,0 | 0,7 |
| Температура обжига изделий, °С | 1670 | 1650 | 1650 | 1620 | 1600 | 1600 |
| Температура спекания металлизационного слоя, °С | 1300 | 1300 | 1275 | 1250 | 1250 | 1250 |
| Диэлектрическая проницаемость (1 МГц, 20°С) |
10,0 | 9,9 | 9,9 | 9,8 | 9,8 | 9,8 |
| Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ.104) при частоте 1 МГц и температуре, °С: | ||||||
| 20 | 6-8 | 5-6 | 2-3 | <2 | <2 | 5-6 |
| 200 | 40 | 35 | 20 | 15 | 10 | 30 |
| 300 | 200 | 150 | 80 | 60 | 40 | 150 |
| 400 | >500 | 350 | 150 | 100 | 70 | 300 |
| Удельное объемное электрическое сопротивление. Ом·см, при температуре, °С: | ||||||
| 20 | >1·1014 | >1·1014 | >2·1014 | >4·1014 | >2,5·1014 | >1·1014 |
| 200 | 6·1011 | 8·1011 | 2·1012 | 3·1013 | 1,2·1014 | 6·1011 |
| 300 | 1,8·1011 | 3·1011 | 5·1011 | 2·1012 | 1,2·1013 | 3·1011 |
| 400 | 2,1·109 | 3·109 | 9·109 | 2·1010 | 2,3·1010 | 2·109 |
| 500 | 1,2·108 | 2·108 | 5·108 | 2,5·109 | 3,5·109 | 3·108 |
Шихта для получения керамического материала, содержащая технический глинозем, активатор спекания, борную кислоту, растворимую соль магния, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит карбонат стронция и карбонат кальция при следующем соотношении указанных компонентов, мас.%:
| активатор спекания | 5,0-12,0 |
| борная кислота | 1,0-3,0 |
| растворимая соль магния | 1,0-2,0 |
| карбонат стронция | 2,0-3,0 |
| карбонат кальция | 1,0-2,0 |
| технический глинозем | остальное, до 100%, |
причем активатор спекания представляет собой спек исходных компонентов: глинозема, кварцевого песка и карбоната магния.
