Сиалонсодержащий материал и композиция для его получения

Изобретение относится к составам и композициям для получения сиалонсодержащих материалов, обладающих повышенной прочностью и теплопроводностью, которые могут быть использованы в технике высоких температур, например в конструкциях теплообменных аппаратов. Сиалонсодержащий материал включает следующие фазы, мас.%: бета-сиалон Si3Al3O3N5 25-55%, альфа-сиалон SiAl4O2N4 10-35%, кубический карбид кремния 3С-SiC 10-20% в наноразмерном состоянии, гексагональный карбид кремния 6H-SiC 20-40% с размером частиц 5-50 мкм и алюминат иттрия Y3Al5O12 7-15%. Указанный материал получают из композиции следующего состава, мас.%: сиалонсодержащий порошок с размером частиц не более 150 нм 50-75, 6H-SiC (размер частиц 5-50 мкм) 20-40, Y2O3 5-10, где сиалонсодержащий порошок представлен фазами, мас.%: Si3Al3O3N5 35-70, SiAl4O2N4 15-35, 3С-SiC 10-20, Al2O3 5-10. Технический результат изобретения - получение материала с пределом прочности при сжатии 620-1030 МПа, теплопроводностью при 100°С 40-88 Вт/(м·К), общей пористостью 5-15% без применения горячего прессования. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к составам и композициям для получения сиалонсодержащих материалов, обладающих повышенной прочностью и теплопроводностью, которые могут быть использованы в технике высоких температур, например в конструкциях теплообменных аппаратов.

Известен материал из β-сиалона (50%) и карбида кремния SiC (50%), получаемый спеканием композиции из SiC (50%), кремния Si (20-25%), оксида алюминия Al2О3 (10-30%), оксида иттрия Y2О3 (2.5-5%), нитрида алюминия AlN (остальное до 100%) при температуре 1600°С (патент CN 1403412, С04В 35/66, дата публикации 19.03.2003).

Недостатки известного материала: высокая пористость (20%) и низкая прочность (127 МПа); спекание композиции для получения материала с низкой пористостью осложняется фазовыми превращениями.

Известен материал из α'-сиалона (35-65%) и β'-сиалона (35-65%) с добавлением 1.5-40% нитрида титана TiN, карбонитрида титана Ti(C, N), карбида молибдена Мо2С, карбида титана TiC и/или SiC, обладающий твердостью Ra=95 МПа и трещиностойкостью KIc=8.7 МПа·м1/2, получаемый спеканием композиции из AlN (0.1-20%), оксида скандия Sc2О3, оксида иттрия Y2О3, оксида лантана La2О3, нитрида скандия ScN, нитрида иттрия YN, нитрида лантана LaN, или оксида, или нитрида, или редкоземельного элемента (0.1-20%), оксида магния MgO, оксида кальция СаО, оксида стронция SrO или оксида бария ВаО (0.1-20%), TiN, Ti(C, N), Мо2С, TiC и/или SiC (1.5-40%), нитрида кремния Si3N4 (остальное до 100%) сначала под действием микроволнового излучения при температуре 1700-1800°С, а затем при повышенном (6-4000 атм) давлении азота при температуре 1400-1800°С (патент ЕР 1322572, С04В 35/597, дата публикации 02.07.2003).

Недостатки известного материала: композиция для получения материала состоит из большого числа (пяти или более) компонентов, что затрудняет достижение ее однородности; спекание композиции для получения материала с низкой пористостью осложняется фазовыми превращениями; композиция для получения материала требует использования сложной двухступенчатой технологии спекания для достижения заявленной твердости и трещиностойкости материала.

Наиболее близким к заявляемому является материал из α/β-сиалона (70-97%) и частиц SiC или Ti(C, N) размером 5-30 мкм (5-20%), обладающий твердостью по Виккерсу HV=1820 МПа, получаемый горячим прессованием композиции из AlN (5-7%), Al2О3 (0.5-0.7%), Y2О3 (5-7%), MgO (0.2-0.3%), SiC или Ti(C,N) (5-20%), Si3N4 (остальное до 100%) в течение 1-3 ч при температуре 1800-1950°С (патент ЕР 1656331, С04В 35/599, дата публикации 17.05.2006) (прототип).

Недостатки прототипа: композиция для получения материала состоит из большого числа (шести) компонентов, что затрудняет достижение ее однородности; спекание композиции для получения материала с низкой пористостью без горячего прессования осложняется фазовыми превращениями; композиция для получения материала требует использования горячего прессования, композиция не позволяет получать изделия сложной формы и/или больших размеров, требуется большая продолжительность обжига (1-3 ч) для достижения высокой твердости материала.

Задачей предлагаемого технического решения является получение сиалонсодержащего материала, обладающего повышенной твердостью, повышенными термомеханическими свойствами, высокой однородностью и свойствами, позволяющими получать из него изделия сложной формы и/или больших размеров и обходиться без горячего прессования.

Поставленная задача достигается тем, что сиалонсодержащий материал включает фазы сиалонов Si3Al3О3N5, SiAl4О2N4, дополнительно фазу кубического карбида кремния 3С-SiC, причем каждая из указанных фаз представлена в нанокристаллическом состоянии, а также фазу гексагонального карбида кремния 6H-SiC в размерном состоянии 5000-50000 нм и фазу алюмината иттрия Y3Al5O12, при следующем соотношении фаз, мас.%:

Si3Al3О3N5 25-55
SiAl4О2N4 10-35
3C-SiC 10-20
Y3Al5О12 7-15
6H-SiC 20-40

Поставленная задача достигается также тем, что композиция для получения сиалонсодержащего материала содержит сиалонсодержащий порошок, состоящий из 35-70% (мас.) Si3Al3О3N5, 15-35% (мас.) SiAl4О2N4, 10-20% (мас.) 3C-SiC, 5-10% (мас.) Al2О3 с размером частиц не более 150 нм, дополнительно гексагональный карбид кремния 6H-SiC в размерном состоянии 5000-50000 нм и оксид иттрия Y2O3, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Сиалонсодержащий порошок 50-75
6H-SiC 20-40
Y2O3 5-10

Технический эффект, достигаемый при использовании заявляемой сиалонсодержащей композиции, - получение материала с пределом прочности при сжатии 620-1030 МПа, теплопроводностью 100°С 40-80 Вт/(м·К), пористостью 5-15% без применения горячего прессования.

Преимущества предлагаемого сиалонсодержащего материала:

- предел прочности при сжатии 620-1030 МПа, теплопроводность при 100°С 40-80 Вт/(м·К), пористость 5-15%;

- материал обладает электропроводностью;

- наноразмерное состояние фаз, слагающих нанофрагментированный материал;

- отсутствуют контактные сопротивления, препятствующие прохождению тепла и электричества, на границах зерен карбида кремния и сиалоновых фаз;

- материал имеет повышенные теплопроводность и электропроводность;

- спекающая добавка оттеснена с границ зерен в поры;

- материал устойчив к воздействию кислорода воздуха до температуры 1400°С за счет образования на поверхности оксидной пленки.

Преимущества предлагаемой сиалонсодержащей композиции:

- использование в составе сиалонсодержащей композиции интегрированного сиалонсодержащего порошка, полученного химическим синтезом, с размером частиц менее 150 нм, содержащего фазы Si3Al3О3N5, SiAl4O2N4, 3С-SiC, Al2O3;

- компоненты сиалонсодержащей композиции имеют близкие коэффициенты термического расширения;

- исключена операция помола;

- устранено загрязнение материала, обеспечена высокая однородность композиции за счет уменьшения (до трех) числа компонентов в сиалонсодержащей композиции;

- сырец изделия имеет низкую пористость (менее 28%);

- снижена усадка при обжиге;

- повышена точность размеров изделия после обжига;

- исключено использование горячего прессования для получения материала;

- исключается использование для спекания повышенного газового давления и длительной термообработки (более 1 часа) для получения материала.

Заявляемое техническое решение обладает изобретательским уровнем, новизной и промышленно применимо.

Свойства заявляемого сиалонсодержащего материала обеспечиваются при соблюдении компонентного состава сиалонсодержащей композиции в заявленных количествах.

При уменьшении количества монокристаллического 6H-SiC (размер частиц 5000-50000 нм) в сиалонсодержащей композиции менее 20% (мас.) уменьшается теплопроводность сиалонсодержащего материала.

При увеличении количества монокристаллического 6H-SiC (размер частиц 5000-50000 нм) в сиалонсодержащей композиции более 40% (мас.) возрастает пористость сиалонсодержащего материала, снижается его прочность.

При уменьшении содержания спекающей добавки Y2O3 в сиалонсодержащей композиции менее 5% (мас.) возрастает пористость сиалонсодержащего материала, снижается его прочность.

При увеличении содержания спекающей добавки Y2О3 в сиалонсодержащей композиции более 10% (мас.) снижается теплопроводность сиалонсодержащего материала.

При уменьшении содержания сиалонсодержащего порошка в сиалонсодержащей композиции менее 50% (мас.) увеличивается пористость и снижается прочность сиалонсодержащего материала.

При увеличении содержания сиалонсодержащего порошка в сиалонсодержащей композиции более 75% (мас.) снижается теплопроводность сиалонсодержащего материала.

При уменьшении содержания Si3Al3О3N5 в сиалонсодержащем порошке менее 35% (мас.) снижается теплопроводность материала.

При увеличении содержания Si3Al3О3N5 в сиалонсодержащем порошке более 70% (мас.) увеличивается испаряемость материала при спекании, что увеличивает его пористость и снижает прочность.

При уменьшении содержания SiAl4О2N4 в сиалонсодержащем порошке менее 15% (мас.) увеличивается пористость материала.

При увеличении содержания SiAl4О2N4 в сиалонсодержащем порошке более 35% (мас.) снижается теплопроводность материала.

При уменьшении содержания 3С-SiC в сиалонсодержащем порошке менее 10% (мас.) снижается устойчивость материала к истиранию и электропроводность материала.

При увеличении содержания 3С-SiC в сиалонсодержащем порошке более 20% (мас.) увеличивается пористость и снижается прочность материала.

При уменьшении содержания Al2O3 в сиалонсодержащем порошке менее 5% (мас.) увеличивается пористость и снижается прочность материала.

При увеличении содержания Al2О3 в сиалонсодержащем порошке более 10% (мас.) снижается теплопроводность материала.

При получении сиалонсодержащего материала использованы следующие сырьевые материалы: ультрадисперсный сиалонсодержащий порошок, полученный химическим синтезом (размер частиц не более 150 нм), включающий в себя Si3Al3О3N5, SiAl4О2N4, 3С-SiC, Al2О3, а также монокристаллический 6H-SiC (размер частиц 5000-50000 нм) (содержание SiC не менее 99%), Y2О3 (ОСТ 48-208-81).

Для достижения заявленного эффекта компоненты композиции: сиалонсодержащий порошок, спекающая добавка и 6H-SiC перемешиваются шликерным методом для получения однородной композиции. Смесь высушивается и из нее прессуют сырец изделий. Спекание материала проводится при температуре 1750-1850°С, с выдержкой 15-25 мин, в атмосфере азота при давлении не более 1.1 атм.

В примерах 1-15 приводится реализация изобретения.

Пример 1. Компоненты - сиалонсодержащий порошок (75% (мас.)), монокристаллический β-SiC (20% (мас.)), Y2О2 (5% (мас.)) перемешиваются шликерным методом до получения однородной композиции, смесь высушивается до влажности 3-5% (мас.) и из нее прессуется сырец изделия с пористостью не более 30%. Сырец обжигается в атмосфере азота в течение 20 мин при температуре 1800°С.

Свойства полученного материала приведены в таблице (состав 1).

Аналогично получены материалы в примерах 2-14. Значения свойств в зависимости от состава сиалонсодержащей композиции приведены в таблице.

Пример 15. Компоненты - сиалонсодержащий порошок (69% (мас.)), монокристаллический β-SiC (25% (мас.)), Y2О3 (6% (мас.)) перемешиваются шликерным методом до получения однородной композиции, смесь высушивается до влажности 3-5% (мас.) и подвергается горячему прессованию под давлением 30 МПа, при температуре 1750°С, в течение 20 мин, в атмосфере азота.

Свойства полученного материала приведены в таблице (состав 15).

Таким образом, как видно из таблицы, заявляемые материал и композиция для его получения позволяют достичь предел прочности при сжатии 620-1030 МПа, теплопроводность при 100°С 40-80 Вт/(м·К), пористость 5-15% без применения горячего прессования.

1. Сиалонсодержащий материал, включающий α/β-сиалон и карбид кремния, отличающийся тем, что содержит α/β-сиалон в виде фаз Si3Al3O3N5, SiAl4O2N4, дополнительно фазу кубического карбида кремния 3С-SiC, причем каждая из указанных фаз представлена в нанокристаллическом состоянии, а также фазу гексагонального карбида кремния 6H-SiC в размерном состоянии 5000-50000 нм и фазу алюмината иттрия Y3Al5O12 при следующем соотношении фаз, мас.%:

Si3Al3O3N5 25-55
SiAl4O2N4 10-35
3С-SiC 10-20
Y3Al5O12 7-15
6H-SiC 20-40

2. Композиция для получения сиалонсодержащего материала по п.1, включающая карбид кремния, оксид иттрия Y2O3 и оксид алюминия Al2O3, отличающаяся тем, что содержит сиалонсодержащий порошок, состоящий из 35-70 мас.% Si3Al3O3N5, 15-35 мас.% SiAl4O2N4, 10-20 мас.% 3С-SiC, 5-10 мас.% Al2O3 с размером частиц не более 150 нм, дополнительно гексагональный карбид кремния 6H-SiC в размерном состоянии 5000-50000 нм и оксид иттрия Y2O3, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Сиалонсодержащий порошок 50-75
6Н-SiC 20-40
Y2O3 5-10



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области керамических технологий, а именно к получению мембранных и ультрапористых материалов из сиалонов, предназначенных для работы в качестве фильтрующих и теплоизоляционных материалов.
Изобретение относится к разработке способа получения сиалоновых фаз, в частности -сиалона, которые могут быть использованы в качестве керамических материалов в различных областях науки и техники.

Изобретение относится к области получения керамического материала из смеси нитрида кремния и оксида алюминия. .

Изобретение относится к огнеупорным материалам высокотемпературных тепловых агрегатов. .
Изобретение относится к получению пористых проницаемых керамических материалов для изготовления керамических фильтров и мембран для очистки газов и жидкостей от взвешенных частиц, пористых керамических форм, используемых при литье и формовании керамических изделий

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к способу изготовления керамических фильтрующих элементов
Изобретение относится к области химии, энергетики и технологии производства изделий из конструкционных материалов на основе нитрида бора, алюминия и карбида кремния и может быть использовано для изготовления изделий из высокопрочных, безусадочных керамических материалов, работающих в условиях высоких термоциклических нагрузок в окислительной, коррозионной и агрессивной атмосфере, в частности в энергетических установках
Изобретение относится к конструкционным материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении безусадочности, жаропрочности и жаростойкости, в сохранении механической прочности в интервале температур 25-1400°С, повышении долговечности и фазовой стабильности при любом использовании материала в указанном диапазоне температур. Осуществляют предварительный рассев исходного сырья, включающего карбид кремния, нитрид бора и алюминий, подготовку из него шихты, измельчение, механическую активацию и сушку. Алюминий берут в виде ультрадисперсного порошка со средним размером частиц 4 мкм, содержащего 3-10 вес.% наночастиц алюминия размером 100-300 нм. Механическую активацию проводят при ускорении 9-10 g. Вакуумное спекание проводят в интервале температур 1150-1250°C с остаточным давлением 0,05 атм, с последующим высокотемпературным обжигом на воздухе не менее 100 час при температуре 1200-1300°C. 3 пр.
Изобретение относится к технологии керамических материалов, а именно к способам получения карбидокремниевых керамических материалов, работающих при высоких температурах в агрессивных и абразивных средах, а также в условиях ударно-динамического воздействия. Технический результат изобретения - повышение эффективности измельчения шихты и повышение химической чистоты получаемого керамического материала. При реализации способа изготовления карбидокремниевого керамического материала, включающего приготовление шихты из смеси микропорошков карбида кремния и оксидов-активаторов спекания, формование заготовки материала, сушку заготовки и последующее ее спекание, смесь микропорошков получают измельчением смеси частиц карбида кремния и оксидов-активаторов размером более 5 мкм на роторно-истирающей мельнице, в которой мелющие вставки и футеровка рабочей камеры выполнены из керамического композиционного материала, содержащего, об.%: алмаз - 20-75, карбид кремния - 20-75, кремний - 3-40. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к способу обработки нитей из карбида кремния, применяемых для армирования композиционных материалов. Способ включает стадию химической обработки нитей водным раствором кислоты, содержащим фтористоводородную кислоту и азотную кислоту, при температуре 10-30°С для удаления диоксида кремния, который присутствует на поверхности нитей, и для образования слоя микропористого углерода. Указанный водный раствор содержит фтористоводородную кислоту в количестве 0,5-4 моль/л и азотную кислоту в количестве 0,5-5 моль/л, при этом молярное отношение HF/HNO3 составляет менее чем 1,5. Изобретение также относится к способу получения волокнистой заготовки, включающему образование волокнистой структуры, включающей обработанные нити из карбида кремния, и применения указанной заготовки для получения детали, изготовленной из композиционного материала. Технический результат изобретения – улучшение поверхности нитей для последующего связывания с пироуглеродом. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил., 6 пр.
Изобретение относится к получению сиалонов - соединений переменного состава, содержащих одновременно Si, Al, О, N, и может быть использовано в керамической, химической и металлургической промышленности для производства конструкционных и других материалов, устойчивых к тепловому удару, расплавленным металлам, воздействию агрессивных сред при высоких температурах

Изобретение относится к способам получения неорганических соединений, в частности сиалонов, которые могут быть использованы для создания коррозионностойких огнеупорных изделий, высокопрочного инструмента для металлообработки
Изобретение относится к получению сиалоновых материалов, применяемых в различных областях науки и техники
Наверх