Способ получения пористой структуры керамического материала



Способ получения пористой структуры керамического материала
Способ получения пористой структуры керамического материала
Способ получения пористой структуры керамического материала

 


Владельцы патента RU 2483043:

Общество с ограниченной ответственностью "НЭВЗ-Н" (RU)
Холдинговая компания "Новосибирский Электровакуумный Завод - Союз" в форме открытого акционерного общества (RU)

Изобретение относится к получению пористого материала из керамики на основе оксида алюминия и может быть использовано в химической промышленности, в том числе в агрессивных средах при повышенных температурах, для изготовления носителей катализаторов, в водоподготовке, а также в медицине для изготовления пористых керамических имплантатов. Глинозем марки ГН, смешивают и измельчают с 0,3-2,0% карбоната магния в шаровой мельнице. После измельчения и перемешивания смесь порошков пересыпают в капсель и спекают в печи при температуре 1000-1500°С. Охлаждённый спек загружают в шаровую мельницу и измельчают до получения порошка со средним размером зерна 1,5-2,5 мкм, смешивают с оксидом циркония, стабилизированным оксидом иттрия, с гидроксидом алюминия, с нанопорошком оксида алюминия в гамма-фазе с удельной поверхностью S=245 м2/г, карбонатом аммония, желатином и поливиниловым спиртом. Полученный порошок формуют методом одноосного прессования и обжигают. Технический результат изобретения - получение пористой структуры алюмооксидной керамики с дифференциальным распределением пор микронного размера. Пористый керамический материал имеет следующие характеристики: открытая пористость 25-45%, размер пор от 10 мкм до 600 мкм, прочность на сжатие до 70 МПа. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к получению пористого материала из керамики, в частности к получению пористой структуры алюмооксидной керамики с дифференциальным распределением пор микронного размера, и может быть использовано в химической промышленности, в том числе в агрессивных средах при повышенных температурах, для изготовления носителей катализаторов, в водоподготовке, а также в медицине для изготовления пористых керамических имплантатов.

В настоящее время для изготовления имплантатов используют титановые сплавы с различными модифицирующими добавками, которые часто вызывают аллергические реакции, и даже отторжение имплантата. В изобретении заявлен способ получения пористой структуры керамического материала.

Известны способы получения высокопроницаемого пористого материала с ячеистой структурой из керамического порошка путем нанесения его суспензии в растворе органического вещества на пористый полимерный материал (полиуретан), удаления избытка суспензии, сушки, удаления полимерного материала без разрушения структуры и формы заготовки, которую затем спекают по известным для данного порошка режимам (Гузман И.Я. Некоторые принципы образования пористых керамических структур. Свойства и применение (обзор) // Стекло и керамика. 2003. №9. - С.28-31. Анциферов В.Н., Беклемышев А.Н., Гилев В.Г., Порозова С.Е., Швейкин Г.П. Проблемы порошкового материаловедения. Часть II. Высокопористые проницаемые материалы. - Екатеринбург, УрО РАН, 2002. - 263 с.).

Известен способ получения пористой керамики, включающий приготовление суспензии металлического порошка в водном растворе органического вещества, нанесение суспензии на подложку из пористого полимерного материала, сушку заготовки, после которой заготовку подвергают термической обработке при температуре 160-180°C, удаление органического вещества термодеструкцией и спекание (Авторское свидетельство СССР №577095, МПК B22F 3/11, C22C 1/08, опубликовано 25.10.1977 г.). Для получения керамики данным способом сначала готовят полиуретановую матрицу с требуемыми характеристиками сетчато-ячеистого каркаса, а для повышения проницаемости каркаса дополнительно производят удаление перегородок между порами (ячейками). Затем готовят текучую массу (суспензию) из порошка с добавлением водорастворимого органического вещества (карбоксиметилцеллюлоза, поливиниловый спирт и др.) и осуществляют пропитку полиуретановой матрицы, например, путем ее погружения в суспензию. Избыток суспензии удаляют из пор с применением вибрации или механического воздействия (циклы сжатие-растяжение путем прокатки через валки, отжимания или центрифугирования). Нанесенный на поверхность пор слой массы упрочняют путем сушки. Образование трещин в нанесенном слое при его сушке исключают выбором вида и количества органической связки, гранулометрического состава порошка, режима сушки. Далее полиуретановую матрицу осторожно удаляют (выжигают) при термообработке, а оставшиеся частицы порошка дополнительно упрочняют путем спекания. Получение сферических пор одинакового заданного размера в полиуретановой матрице является сложным, что ведет к удорожанию ее стоимости. Для максимальной проницаемости каркаса необходимо дополнительно производить удаление перегородок между порами (ячейками) травлением в агрессивных средах. Данный способ позволяет получить пористый керамический материал с пористостью 70-95% и прочностью на сжатие до 1 МПа.

К недостаткам способа относится сложность нанесения ровного слоя порошка на поверхность полиуретановой матрицы. Для сохранения формы полиуретановой матрицы при удалении органической составляющей термообработку необходимо вести медленно и по определенному режиму. Выделяющиеся при разложении полиуретана газы являются ядовитыми и их необходимо улавливать и нейтрализовать. При упрочнении заготовки путем гидростатического прессования через заполняющую крупные открытые поры жидкость полиуретановая матрица оказывается внутри материала и после снятия давления разрывает заготовку за счет своей упругой деформации. Недостатком способа являются также низкие механопрочностные характеристики получаемого пористого материала.

Известен способ получения пористой керамики (патент RU №2348487, МПК C04B 35/10, B22P 3/11, C22C 1/08, опубликованный 10.03.2009 г.), в котором полимерная матрица с системой взаимосвязанных открытых пор формируется путем вибрации и подпрессовки из сферических парафиновых гранул. Поры матрицы пропитывают не растворяющей ее текучей массой, содержащей технологическую связку, воду и керамический порошок. Для придания текучей массе прочности проводят сушку. Парафиновую матрицу удаляют путем выплавления с формированием на ее месте системы высокопроницаемых пор и проводят упрочнение полученного материала.

Данный способ получения пористой керамики нетехнологичен для массового производства, требуется создание дополнительного производственного участка для создания сферических парафиновых гранул, а удаление парафина из матрицы сопровождается выделением вредных газов. Недостатком способа являются также низкие механопрочностые характеристики получаемой пористой керамики.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения пористой структуры алюмооксидной керамики (см. патент US №6565825, класс США 423/625, 423/628, опубликованный 20.05.2003 г.). Получение пористой структуры керамики этим способом заключается в смешивании исходных компонентов: оксида алюминия с размером зерна 0,05-2,0 мкм, гамма-оксида алюминия, гидроксида алюминия 10-90% (об.) с размером частиц 0,05-2,0 мкм, оксида циркония от 1-20% (об.), формовании и обжиге в две ступени. Первая ступень обжига до температуры 800-1000°C со скоростью нагрева от 1 до 10°C в минуту, вторая ступень обжига от 1000°C до 1600°C. Получаемый таким способом материал имеет пористость максимум 65% с размером пор от 10 нм до 1000 нм, предел прочности на сжатие 50 МПа при удельной поверхность 40 м2/г.

Недостатком данного способа является малая величина пор (от 10 нм до 1000 нм), что не всегда может быть использовано для избирательной фильтрации, в том числе для использования в медицине в качестве имплантатов, т.к. размер клеток находится в пределах 100-300 мкм.

Задачей изобретения является получение пористого керамического материала с дифференциальным распределением пор микронного размера при прочности на сжатие 50-70 МПа.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе получения пористой структуры керамического материала, включающем смешивание оксида алюминия, гамма-оксида алюминия, оксида циркония, гидроксида алюминия, формование и обжиг, в отличие от прототипа, в качестве оксида алюминия используют глинозем, который смешивают с 0,3-2,0% карбонатом магния, измельчают, спекают при температуре 1000-1500°С и повторно измельчают до размера зерна 1,5-2,5 мкм, оксид циркония стабилизированный оксидом иттрия, а гамма-оксид алюминия используют в виде нанопорошка с удельной поверхностью S=245 м2/г и дополнительно при смешивании перед формованием вводят порообразователь и органические добавки.

В качестве порообразователя используют карбонат аммония. В качестве органических добавок используют желатин и поливиниловый спирт.

На фиг.1 в виде таблицы представлен температурный режим обжига алюмооксидного керамического материала.

На фиг.2 представлена фотография шлифа поверхности алюмооксидного керамического материала состава: глинозем+MgCO3+ZrO2+Al(ОН)3+(NH4)2СО3+нанопорошок γ-фазы Al2O3+ПВС.

На фиг.3 представлена фотография шлифа поверхности алюмооксидного керамического материала состава: глинозем+MgCO3+ZrO2+Al(ОН)3+(NH4)2СО3+нанопорошок γ-фазы Al2O3+ПВС+Ж.

Способ получения пористой структуры керамического материала, например алюмооксидной керамики, осуществляется следующим образом. В качестве исходного компонента используют глинозем марки ГН, который смешивают и измельчают с 0,3-2,0% карбонатом магния в шаровой мельнице. После измельчения и перемешивания смесь порошков пересыпают в капсель, который помещают в горн (печь) и спекают при температуре 1000-1500°С. После охлаждения спек загружают в шаровую мельницу и измельчают до получения порошка со средним размером зерна 1,5-2,5 мкм. Полученный порошок смешивают с оксидом циркония, стабилизированным оксидом иттрия, с гидроксидом алюминия, с нанопорошком оксида алюминия в гамма-фазе с удельной поверхностью S=245 м2/г, карбонатом аммония, желатином и поливиниловым спиртом. Полученный порошок формуют методом одноосного прессования и обжигают. Полученный пористый керамический материал имеет следующие характеристики: открытая пористость 25-45%, размер пор от 10 мкм до 600 мкм, прочность на сжатие до 70 МПа.

Указанная совокупность признаков способа получения пористой структуры алюмооксидного керамического материала является новой и обладает изобретательским уровнем, так как использование глинозема в виде исходного сырья в целом удешевляет получение пористого керамического материал. Добавка карбоната магния к глинозему позволяет получить алюмомагниевую шпинель, которая способствует предотвращению роста кристаллов при обжиге готового изделия, что улучшает механопрочностные характеристики. Спекание глинозема с карбонатом магния при температуре 1000-1500°C позволяет оксид алюминия, содержащийся в глиноземе в различных фазах, перевести в альфа-фазу, что позволяет на следующих технологических операциях строго контролировать процент усадки. Помол полученного спека глинозема с карбонатом магния до размера зерна 1,5-2,5 мкм позволяет получить крупнопористую структуру керамического материала. Использование нанопорошка оксида алюминия с удельной поверхностью S=245 м2/г в гамма-фазе позволяет получить пористую структуру с улучшенными механопрочностными характеристиками. Стабилизация оксида циркония оксидом иттрия позволяет стабилизировать тетрагональную структуру оксида циркония, что обеспечивает долгосрочность механопрочностных характеристик получаемого материала. Добавки карбоната аммония, желатина и поливинилового спирта при обжиге разлагаются и удаляются, образуя поры различного размера, так как молекулы и гранулы этих соединений имеют различные геометрические параметры. Обжиг в одну стадию позволяет получить пористый керамический материал с меньшими затратами, чем в прототипе, где обжиг получаемого материала проводят в две стадии.

Пример

Глинозем марки ГН (ГОСТ 30559-98) и 0,3-2,0% карбонат магния (ГОСТ 6419-78 - «Магний углекислый») засыпают в шаровую мельницу при следующем соотношении компонентов:

глинозем ГН - 99,7-98,0%;

Mg(CO3)2 - 0,3-2%.

Перемешивают и измельчают до размера частиц 2,2-2,7 мкм.

Полученную смесь порошков пересыпают в капсель, помещают в горн (печь), спекают при температуре 1000-1500°С и охлаждают. Затем спек загружают в шаровую мельницу и измельчают до получения среднего размера частиц 1,5-2,7 мкм. Полученный порошок смешивают с оксидом циркония, стабилизированным 3% оксидом иттрия (ТУ 24-1-00201081-049:2005 - «Диоксид циркония, стабилизированный иттрием»), со средним размером частиц 1,9-2,7 мкм, гидроксидом алюминия (ГОСТ 11841-76 - «Алюминия гидроксид»), нанопорошком оксида алюминия (CAS 1344-281 - «Алюминия оксид» нанопорошок) в гамма-фазе с удельной поверхностью S=245 м2/г, карбонатом аммония (ГОСТ 3770-75 - «Аммоний углекислый») и желатином (Ж) (ГОСТ 11293-78 - «Желатин пищевой») со средним размером частиц от 100 до 500 мкм.

Компоненты, входящие в состав смеси, содержатся в следующем соотношении, мас.%:

Al2O3 - 54,5%;

нанопорошок Al2O3 - 5%;

Al(ОН)3 - 10%;

(NH4)2СО3 - 15%;

ZrO2 - 15%;

Ж - 0,5%.

В полученную смесь добавляют 10% раствор поливинилового спирта (ПВС) (ГОСТ 100779-78 -«Спирт поливиниловый») - в количестве 7% от всей массы смеси.

Смесь протирают через сито 500 мкм, и формуют методом одноосного прессования при нагрузке прессования 1350 кг/см2. Затем обжигают при достижении максимальной температуры 1500°С в одну стадию, согласно режима, приведенного в таблице на фиг.1.

В интервале температур 50-500°С происходит удаление связки ПВС. При температуре 500-1000°С происходит удаление порообразователя - желатина и карбоната аммония, а также разложение алюминия гидроксида. При нагреве до температуры 1000-1450°С происходят возможные фазовые переходы и частичное спекание, а выдержка при температурах 1450°С и 1500°С проводится для полного спекания шихты и получения готового пористого керамического материала.

Результат исследования влияния органических добавок на получение пористого алюмооксидного керамического материала приведен в таблице №1.

На фиг.2 и фиг.3 представлены фотографии шлифов поверхности полученного алюмооксидного керамического материала в зависимости от содержания органических добавок.

Таблица №1
Состав образца Открытая пористость, % Поры 10-100 мкм,% Поры 100-300 мкм, % Поры 300-600 мкм,% Прочность на сжатие, МПа
Глинозем+MgCO3+ZrO2+Al(ОН)3+(NH4)2СО3+нанопорошок γ-фазы Al2O3+ПВС 45 30 50 20 50
Глинозем+MgCO3+ZrO2+Al(ОН)3+(NH4)2СО3+нанопорошок γ-фазы Al2O3+ПВС+Ж 36 15 67 13 60-70

Таким образом, изобретение позволяет получить пористую структуру алюмооксидного керамического материала с прочностью на сжатие 50-70 МПа при размере пор 10-600 мкм, кроме того снижаются затраты на производство пористого керамического материала.

Полученную таким способом алюмооксидную керамику можно использовать в медицине, а именно в качестве имплантатов.

1. Способ получения пористой структуры керамического материала, включающий смешивание оксида алюминия, гамма-оксида алюминия, оксида циркония, гидроксида алюминия, формование и обжиг, отличающийся тем, что в качестве оксида алюминия используют глинозем, который смешивают с 0,3-2,0% карбоната магния, измельчают, спекают при температуре 1000-1500°С и повторно измельчают до размера зерна 1,5-2,5 мкм, оксид циркония стабилизируют оксидом иттрия, а гамма-оксид алюминия используют в виде нанопорошка с удельной поверхностью S=245 м2/г и дополнительно при смешивании перед формованием вводят порообразователь и органические добавки.

2. Способ получения пористой структуры керамического материала по п.1, отличающийся тем, что в качестве порообразователя используют карбонат аммония.

3. Способ получения пористой структуры керамического материала по п.1, отличающийся тем, что в качестве органических добавок используют желатин и поливиниловый спирт.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. .
Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. .
Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. .
Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. .
Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. .

Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. .
Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. .
Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. .
Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. .
Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. .
Изобретение относится к способу получения циркониевого электрокорунда, используемого для производства абразивного инструмента на гибкой основе и шлифкругов на органической связке.

Изобретение относится к производству абразивного материала на основе циркониевого электрокорунда для обдирочного силового абразивного инструмента, в частности получению шлифовального зерна для изготовления этого инструмента.

Изобретение относится к производству керамики, а именно к составам шихты для изготовления керамики конструкционного и инструментального назначения. .

Изобретение относится к области получения абразивных материалов. .
Изобретение относится к керамическим материалам, которые пригодны для динамических нагрузок и могут быть использованы для изготовления броней и плит при обстреле. Согласно изобретению керамический материал имеет следующий химический состав: от 24 до 25,5 вес.% ZrO2, от 0,26 до 0,35 вес.% Сr2О3, от 0,50 до 0,60 вес.% Y2О3 по отношению к ZrO2, от 0,7 до 0,85 вес.% SrO, от 0 до 0,5 вес.% ТiO2 и от 0 до 0,5 вес.% MgO, а также Al2O3 в дополнение до 100 вес.%. В составе спеченного изделия в матрице из оксида алюминия находятся включения оксида циркония и пластинчатые кристаллиты алюмината стронция. Технический результат изобретения - повышение устойчивости к трещинам и повреждениям, повышение твердости материала. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области производства ударостойкой керамики и может быть использовано для изготовления керамических бронеэлементов. Технический результат изобретения - разработка шихты для изготовления керамического материала с твердостью и прочностью, достаточными, чтобы противостоять воздействию ударно-динамических нагрузок. Шихта для изготовления керамики содержит карбид кремния, α-оксид алюминия и оксидсодержащую добавку, которая представляет собой смесь оксидов. Согласно первому варианту шихта содержит, масс.%: карбид кремния 30-40, α-оксид алюминия 34-50, диоксид кремния 11,8-25,2, оксид железа (III) 0,25-0,4, оксид кальция 0,2-0,4, диоксид титана 0,2-0,4, оксид магния 0,02-0,4, оксид калия 1,2-3,8, оксид натрия 0,3-1,2. Согласно второму варианту, шихта содержит компоненты в следующем соотношении, масс.%: карбид кремния 20-35, α-оксид алюминия 30-60, оксид кальция 5,0-15,0, диоксид циркония 5,0-15,0, каолин 10,0-17,0. 2 н.п. ф-лы, 6 пр.

Изобретение относится к области технической керамики, в частности к износостойкому композиционному керамическому наноструктурированному материалу на основе оксида алюминия, который может быть использован для изготовления режущего инструмента и износостойких деталей для машиностроения. Предложенный керамический материал на основе оксида алюминия с объёмным содержанием компонентов: Al2O3 63-82%, TiCN 16-34%, ZrO2 2-3%, содержит фазу карбонитрида титана TiCN на границах зерен оксида алюминия и наноразмерные частицы диоксида циркония внутри зерен оксида алюминия. Фаза карбонитрида титана представлена наноразмерными частицами и частицами субмикронного размера. Дополнительно наноразмерные частицы TiCN и ZrO2 присутствуют на границах зерен оксида алюминия и частиц фазы TiCN субмикронного размера. Предложенный способ получения керамического материала, включает стадии помола, смешения компонентов после помола и спекания полученной смеси, причём скорость нагрева смеси до температуры спекания поддерживают постоянной в диапазоне 50-400 град/мин, а спекание осуществляют при температурах от 1450 до 1600°C, при воздействии электрических и/или электромагнитных полей под давлением. Технический результат изобретения - высокие показатели прочности, твердости, износостойкости материала, в том числе при повышенных температурах. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 11 пр., 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к технологиям получения керамических материалов, в частности к способам легирования керамики, и может быть использовано в области электротехники и машиностроения для изготовления высокопрочных керамических изделий. Техническим результатом изобретения является повышение прочности и снижение рассеяния прочности алюмооксидной керамики. Способ легирования алюмооксидной керамики включает получение заготовки из шликера, удаление технологической связки и обжиг. Согласно изобретению после удаления технологической связки заготовку пропитывают водным раствором нитрата цирконила ZrO(NO3)2×2Н2О, затем осуществляют ее нагрев с повышением температуры до 400°С. Последующий обжиг выполняют с равномерным нагревом заготовки до температуры 1600-1650оС в течение 12 часов, выдерживают при максимальной температуре до 1 часа и осуществляют равномерное охлаждение заготовки до комнатной температуры в течение 3-4 часов. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к получению композиционного алюмоциркониевого керамического материала, который обладает плотной структурой и может применяться в медицине для изготовления имплантатов и медицинских инструментов. Композиционный керамический материал изготовлен на основе оксида алюминия в альфа-фазе с размером частиц менее 1,0 мкм и в качестве добавок содержит оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, в сочетании моноклинной и тетрагональной фаз, нанопорошок оксида алюминия и кордиерит. Нанопорошок оксида алюминия находится в сочетании альфа- и тэта-фаз с размерами частиц менее 100 нм. Нанопорошок оксида алюминия введен в количестве до 5%, а кордиерит - до 10%. Частицы оксида циркония имеют размер менее 0,8 мкм. Дополнительно в качестве добавки может быть введен нанопорошок оксида циркония в любой фазе в количестве от 0 до 5%. Композиционный керамический материал обладает более высокими механопрочностными показателями: прочность на изгиб выше 500 МПа, трещиностойкость 5,5-6 МПа·м0,5, прочность на сжатие 600-800 МПа. 1 з.п. ф-лы, 3 пр.
Изобретение относится к области производства керамических конструкционных и функциональных материалов. Для получения керамического композитного материала на основе оксидов алюминия и циркония проводят стабилизацию в тетрагональной фазе диоксида циркония механическим способом: смешивают в активаторе соль циркония и стабилизатор (соль редкоземельного элемента), затем смесь термообрабатывают при температуре 500-600°C в течение 1-3 часов. Содержание оксида редкоземельного элемента составляет 3-10 мол.% от содержания диоксида циркония в пересчёте на оксиды. В активаторе по отдельности измельчают полученный стабилизированный диоксид циркония и оксид алюминия с добавкой карбоната магния, затем их смешивают. Формование изделий производят методом осевого прессования при давлении 190-300 МПа, а обжиг проводят при температуре 1550-1600°C в течение 1-3 часов. Измельчение и смешивание всех компонентов выполняют в высокоскоростном активаторе при ускорении мелющих тел не менее 10 g. Мокрое измельчение смеси оксида алюминия и карбоната магния проводят до размера частиц менее 100 нм. Технический результат изобретения - получение керамики с повышенным коэффициентом трещиностойкости. 7 з.п. ф-лы, 3 пр.
Наверх