Композиционный материал на основе субоксида бора



Композиционный материал на основе субоксида бора
Композиционный материал на основе субоксида бора
Композиционный материал на основе субоксида бора

 


Владельцы патента RU 2484058:

ЭЛЕМЕНТ СИКС (ПРОДАКШН)(ПТИ) ЛТД (ZA)

Изобретение относится к созданию синтетических сверхтвердых материалов на основе субоксида бора и может быть использовано при отрезных работах и в деталях, подверженных износу. Композиционный материал на основе субоксида бора включает субоксид бора и вторую фазу, которая содержит оксид редкоземельного металла в количестве до 20 об.%. Оксид редкоземельного металла может быть выбран из группы, включающей оксиды скандия, предпочтительно иттрия и элементов ряда лантаноидов, а также может представлять собой смесь оксидов редкоземельных металлов. Вторая фаза может также включать кроме оксида (оксидов) редкоземельного металла еще один оксид или смесь оксидов элементов групп IIA, IIIA и IVA Периодической системы элементов, предпочтительно оксид алюминия, а также необязательно борид, выбранный из группы, включающей бориды переходных металлов: железа, кобальта, никеля, титана, вольфрама, тантала, гафния, циркония, рения, молибдена и хрома. Композиционный материал получают спеканием под давлением ниже 200 МПа и температуре менее 1900°С. Технический результат изобретения: повышение износостойкости композита. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 13 пр., 1 табл., 2 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к композиционному материалу на основе субоксида (низшего оксида) бора.

Уровень техники

Создание синтетических сверхтвердых материалов со значениями твердости, приближающимися к значениям твердости алмаза или даже превышающими их, представляет большой интерес для материаловедов. Алмаз с твердостью по Виккерсу от 70 до 100 ГПа является самым твердым из известных материалов, за ним следуют кубический нитрид бора (HV /твердость по Виккерсу/ - примерно 60 ГПа) и субоксид бора, именуемый здесь В6О. Для монокристаллов В6О под нагрузкой 0,49 Н и 0,98 Н определены значения твердости соответственно 53 ГПа и 45 ГПа, аналогичные значениям твердости кубического нитрида бора [9].

Известно, что В6О может быть также нестехиометрическим, т.е. может существовать в виде В6О1-x (где x находится в пределах 0-0,3). Такие нестехиометрические формы включены в определение В6О. Прочные ковалентные связи и небольшая длина межатомной связи у этих материалов способствуют их исключительным физическим и химическим характеристикам, таким как большая твердость, низкая (массовая) плотность, высокая удельная теплопроводность, высокая химическая инертность и превосходная износостойкость [1, 2]. В патенте US 5330937 (Ellison-Hayashi и др.) сообщалось об образовании порошков субоксида бора с номинальным составом В3О, В4О, В6О, В7О, B8O, В12О, В15О и В18О. Потенциальные области промышленного применения рассмотрены в патенте Японии 7034063 (Kurisuchiyan и др.) и в патенте US 5456735 (Ellison-Hayashi и др.) и включают использование в шлифовальных (точильных) кругах, абразивах и режущих инструментах.

Для получения субоксида бора используются несколько технологий, причем они включают такие способы, как взаимодействие элементарного бора (В) с оксидом бора (В2О3) в условиях достаточно высокого давления и высокой температуры [1]. В патенте US 3660031 (Holcombe Jr. и др.) упоминаются другие способы получения субоксидов бора, например, путем восстановления оксида бора (В2О3) магнием или путем восстановления оксида цинка элементарным бором. Однако каждый из этих известных способов имеет недостатки, которые тормозят возможность применения этого материала в промышленности. Например, при восстановлении В2О3 магнием получают твердый раствор магния и загрязняющие примеси борида магния в субоксиде, тогда как восстановление оксида магния бором дает лишь сравнительно небольшой выход субоксида бора и является весьма неэффективным. В патенте US 3660031 (Holcombe Jr. и др.) раскрывается получение В7О путем восстановления оксида цинка элементарным бором при температурах 1200°C-1500°C. Сообщается, что значение твердости у этого материала под нагрузкой 100 г составляет 38,2 ГПа, а плотность - 2,6 г·см-3. Трещиностойкость (вязкость разрушения) этого материала не рассматривается, так как получали только сетчатые, а не плотные материалы.

Petrak и др. [3] исследовали механические и химические характеристики В6О горячего прессования и представили значения микротвердости 34-38 ГПа. В патенте US 5330937 (Ellison-Hayashi и др.) раскрывается получение В6О с добавлением магния (приблизительно 6%), что дало средние значения твердости по Кнупу (англ. KHN100) 34-36 ГПа.

Сделаны попытки улучшить механические свойства В6О, в первую очередь, его трещиностойкость, путем создания композитов на основе В6О с другими твердыми материалами, такими как алмаз [4], карбид бора [5], и кНБ (кубический нитрид бора, англ. cBN) [6]. Композиты, содержащие алмаз и кНБ, создавали в условиях очень высокой температуры и давления. Цель заключалась в создании псевдобинарных систем композитов, более прочных на межзеренных границах (на границах зерен), чем системы из чистого В6О. Даже если для композитов регистрировали высокие значения твердости (Hv - примерно 46 ГПа), значения трещиностойкости снова не превышали 1,8 МПа·м0,5. При этом наилучшее значение получили с композитами В6О-кНБ.

В WO 2007/029102 и [7] (Shabalala и др.) раскрывается создание композитов на основе В6О с соединениями алюминия, что привело к образованию на межзеренной границе фазы бората алюминия. Трещиностойкость составила примерно 3,5 МПа·м0,5 при соответствующей твердости 29,3 ГПа. Фазы алюминия, присутствующие в композите, являются мягкими и, хотя они могут повысить трещиностойкость полученного композита, они не способствуют повышению твердости композита в целом. Кроме того, помимо кристаллического бората алюминия имело место образование химически нестойкой аморфной фазы, богатой оксидом бора, а также микропористости, что в дальнейшем приводит к уменьшению твердости [10, 11].

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается композиционный материал на основе субоксида бора, включающий субоксид бора и вторую фазу, в котором вторая фаза содержит оксид редкоземельного металла.

В данном описании изобретения понятие "вторая фаза" обозначает все, что включает композиционный материал, кроме субоксида бора, причем она может быть полностью или частично кристаллической или аморфной и может включать две и более термодинамические фазы.

Оксид редкоземельного металла может быть выбран из группы, включающей оксиды скандия, иттрия, что является предпочтительным, и элементов из ряда лантаноидов, а также может представлять собой смесь оксидов редкоземельных металлов.

Помимо оксида (оксидов) редкоземельного металла вторая фаза может также включать другой оксид или смесь оксидов. Вторым оксидом может быть оксид элемента из групп IA, IIA, IIIA и IVA Периодической системы элементов Менделеева и, в частности, он может быть выбран из группы, включающей Al2O3, SiO2, MgO, СаО, ВаО и SrO или смесь этих оксидов.

Кроме того, вторая фаза композиционного материала может содержать борид и, в частности, борид, выбранный из группы, включающей бориды переходных металлов четвертой-восьмой групп Периодической системы элементов. При любом упоминании борида подразумевается моноборид, диборид и любой другой вид борида. В частности, борид может быть выбран из группы, включающей бориды железа, кобальта, никеля, титана, вольфрама, тантала, гафния, циркония, рения, молибдена и хрома. Это может быть также борид металла платиновой группы, например борид палладия.

Субоксид бора может быть в виде (макро)частиц или гранул. Сами частицы или гранулы субоксида бора в среднем предпочтительно являются мелкими и могут иметь размер в пределах от 100 нм до 100 мкм, предпочтительно от 100 нм до 10 мкм.

Мелкозернистый субоксид бора может быть получен, например, путем размалывания материала, являющегося источником субоксида бора. Если размалывание осуществляется в присутствии мелющего средства, содержащего железо или кобальт, то некоторое количество железа и (или) кобальта вводится в спекаемый материал. Что касается материала, не содержащего железа, то размолотый порошок можно промыть соляной кислотой или же размалывание можно осуществлять с использованием баков из оксида алюминия и мелющих шаров. Установлено, что для удаления некоторого избытка В2О3 или Н3ВО3 лучше промывать размолотый порошок в теплой воде или спиртах.

Количество оксида, присутствующего в композиционном материале, предлагаемом в изобретении, изменяется в зависимости от требуемых свойств композита, в частности твердости и трещиностойкости, а также типа оксида.

Как правило, оксид присутствует в количестве до 20 об.% композита. Что касается многих типов оксидов, то они обычно присутствуют в количестве до 10 об.% композита, а что касается других оксидов, то они, как правило, присутствуют в количестве до 5 об.% композиционного материала.

Композиционный материал, предлагаемый в изобретении, включает субоксид бора, обычно в виде частиц или гранул, и вторую фазу в связанном, когерентном виде. Содержание второй фазы в объемных процентах предпочтительно меньше, чем содержание субоксида бора, и она равномерно распределена в субоксиде бора. Вторая фаза может быть аморфной или частично кристаллической.

В изобретении предлагается композиционный материал, содержащий субоксид бора и оксид редкоземельного металла и имеющий как высокую трещиностойкость, так и высокую твердость. В частности, этот композиционный материал обычно имеет трещиностойкость более 3,5 МПа·м0,5 в сочетании с твердостью по Виккерсу (Hv) более 25 ГПа. Трещиностойкость этого композита предпочтительно составляет более 3,5 МПа·м0,5, а более предпочтительно - по меньшей мере 4,0 МПа·м0,5 и еще более предпочтительно - по меньшей мере 5,0 МПа·м0,5. Трещиностойкость (KIC), о которой здесь говорится, измеряли при вдавливании индентора обычно с нагрузкой 5 кг. Для определения характеристик образцов В6О, рассмотренных ниже, использовали среднее значение из пяти, полученных при измерениях. KIC определяли методом DCM, с помощью уравнения Анстиса (Anstis) [8]:

  K C = δ ( E H ) 1 2 P c 3 2                          (1)

где Е - модуль Юнга (модуль упругости), Н - твердость, а δ - константа, которая зависит только от геометрии индентора. В этом уравнении для модуля Юнга использовали значение 470 ГПа. Для стандартного алмазного пирамидального индентора для определения твердости по Виккерсу Анстис и др. задали значение δ=0,016±0,004 в качестве калибровочной постоянной, которое использовалось также для этих измерений.

Твердость композиционного материала предпочтительно составляет более 25 ГПа и более предпочтительно - по меньшей мере 30 ГПа. Твердость по Виккерсу измеряли, прикладывая при вдавливании нагрузку 5 кг. Среднее значение из пяти измеренных значений твердости использовали для определения характеристик образцов композита на основе В6О.

На фиг.1 показаны предпочтительные нижние пороговые величины в области значений твердости и трещиностойкости композиционных материалов, предлагаемых в настоящем изобретении, в сравнении с известными материалами на основе субоксида бора. Предполагается, что повышенная трещиностойкость этих видов композитов может быть обусловлена многими различными факторами, такими как изменение направления трещины вследствие создания внутренних напряжений, механизм остановки (блокировки) трещины, имеющий место в образовавшихся вторых фазах, и изменения в характере состава и свойств на границах между частицами В6О. Кроме того, установлено, что фактическое уплотнение композиционного материала во время производства улучшается при использовании второй фазы, которая содержит оксид редкоземельного металла, один или в смеси с другим оксидом или боридом. Во время уплотнения в жидкой фазе уплотнение может составить свыше 95% теоретической плотности, а с помощью второй фазы, содержащей оксид, может быть обеспечено в более мягких условиях температуры и давления, нежели уплотнение, которое может быть достигнуто при отсутствии оксида во второй фазе. В частности, достигнуто уплотнение, составляющее 98%-99%.

Композиционный материал, предлагаемый в изобретении, может быть создан путем осуществления следующих шагов: обеспечение источника частиц или гранул субоксида бора; контактирование источника субоксида бора с оксидом редкоземельного металла для создания реагирующей массы и спекание реагирующей массы до получения композиционного материала на основе субоксида бора. Этот способ относится ко второму аспекту изобретения.

Спекание происходит предпочтительно при сравнительно низкой температуре и под низким давлением, т.е. под давлением менее 200 МПа и при температуре, не превышающей 1950°C. Предпочтительно используются способы спекания под низким давлением, такие как горячее прессование (ГП), газовое спекание под давлением, изостатическое горячее прессование (ИГП) или искровое плазменное спекание (ИПС). Метод ИПС характеризуется очень быстрым нагревом и короткими периодами выдержки в изотермических условиях, в частности скоростью нагрева 50-400К/мин и временем выдержки в изотермических условиях не более 5 мин. Метод горячего прессования характеризуется скоростью нагрева 10-20К/мин и временем выдержки в изотермических условиях примерно 15-25 мин, как правило, 20 мин.

В соответствии с этим способом, основанным на использовании оксида, во время спекания образуется устойчивая жидкая фаза оксида, которая затем охлаждается с образованием в конечном продукте вторых кристаллических и (или) аморфных фаз оксида. Оксиды, особенно если они представляют собой смесь Al2O3 и SiO2, вступают в реакцию с оставшимся В2О3 и образуют аморфные фазы между частицами или гранулами субоксида бора.

Добавление оксида редкоземельного металла химически стабилизирует аморфную межзеренную границу и повышает износостойкость композита. Такая аморфная межзеренная граница образуется в результате реакции между оксидом редкоземельного металла и В2О3 во время жидкой фазы уплотнения. Для повышения износостойкости материала, его химической стойкости и стойкости к высоким температурам предпочтительным является низкое содержание В2О3 на межзеренной границе. Мольное отношение В2О3 /(В2О3 + другие оксиды) предпочтительно составляет менее 60, более предпочтительно - менее 30, а еще более предпочтительно - менее 20.

Перед спеканием субоксид бора можно смешивать с компонентами, необходимыми для получения второй фазы. Или же перед спеканием субоксид бора можно покрывать компонентами второй фазы.

Хотя введение этих компонентов второй фазы в виде их оксидов перед спеканием может быть предпочтительным, компоненты второй фазы могут присутствовать в реагирующей массе также в другом виде, допускающем образование оксида (например, нитраты, карбонаты или оксалаты, образующие оксиды в процессе разложения или в металлическом состоянии), и могут окисляться в реагирующей массе во время спекания.

Предлагаемый в изобретении композиционный материал может применяться при отрезных работах и в деталях, подверженных износу. Кроме того, его можно измельчать до образования мелких твердых частиц и использовать при абразивных работах. Более того, этот композит можно использовать для покрытия броней/защит, например защищающих от поражения огнестрельным оружием, и, в частности, для бронежилетов.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

фиг.1 - график, на котором представлены сравнительные значения твердости и трещиностойкости для композитов на основе В6О, предлагаемых в данном изобретении и известных материалов подобного типа;

фиг.2 - изображение спеченного композита, созданного на основе В6О с добавками 2,62 мас.% Al2O3 и 2,65 мас.% Y2O3, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Описание вариантов осуществления изобретения

Далее изобретение демонстрируется с помощью приведенных ниже примеров. Таблица 1 дает общее представление об этих материалах и для сравнения включает их измеренные характеристики твердости и трещиностойкости. В этих примерах используются оба термина: "вторая фаза" и "фаза межзеренной границы". Эти термины являются взаимозаменяемыми и относятся к одной и той же фазе.

Пример 1

Исходный порошок В6О размалывали с помощью атриторной (фрикционной) мельницы со стальными шарами в течение 50 ч. Загрязняющие примеси железа удаляли путем промывки в HCl. Затем порошок промывали в метаноле для удаления присутствующего в нем В2О3. После размалывания средний размер частиц составлял 500 нм.

В размолотый порошок добавляли 2 мас.% Al2O3 и 2,65 мас.% Y2O3 в метаноле и размалывали в течение двух часов, используя планетарную мельницу. Размолотую смесь высушивали с помощью роторного испарителя, а затем помещали в ячейку из нитрида бора (внутри графитовой пресс-формы) и спекали, применяя пресс для горячего прессования, при температуре 1800°C и под давлением 50 МПа в среде аргона в течение примерно 20 мин. Получали полностью уплотненный композит, включающий частицы субоксида бора, в котором равномерно распределена вторая фаза. При рентгенографии установили отсутствие во второй фазе кристаллической фазы. Межзеренная граница представляла собой аморфную фазу межзеренной границы, содержащую Y2O3, Al2O3 и остаточный В2О3.

Поверхность поперечного сечения образца шлифовали, а затем с помощью индентора Виккерса испытывали на твердость и трещиностойкость. Твердость составила примерно 33 ГПа под нагрузкой 5 кг, а трещиностойкость - примерно

6 МПа·м0,5.

Таблица 1 обобщает измеренные характеристики этого композита на основе субоксида бора. Предлагаемый в изобретении композит на основе В6О, полученный горячим прессованием, обладал более высокой твердостью и трещиностойкостью по сравнению с чистым В6О и композитом, полученным Shabalala и др. (WO 2007/029102).

Пример 2

Композит на основе субоксида бора получали, используя те же самые компоненты и условия, какие указаны в примере 1, за исключением того, что количество компонентов Y2O3 и Al2O3 уменьшили в два раза, сохранив при этом соотношение между ними. Полученный композит был полностью уплотнен и, как было установлено, тоже содержал Y2O3, Al2O3 и остаточный В2О3. Его твердость составляла 30,4 ГПа, а трещиностойкость - 6,0 МПа·м0,5.

Пример 3

Композит на основе субоксида бора получали, используя те же самые компоненты и условия, какие указаны в примере 1, за исключением того, что компоненты для второй фазы включали дополнительно 1,0 мас.% SiO2. Полученный композит был полностью уплотнен и включал аморфную фазу межзеренной границы, содержащую Y2O3, Al2O3 и остаточный В2О3. Его твердость составляла 33,5 ГПа, а трещиностойкость - 5,0 МПа·м0,5.

Пример 4

Исходный порошок В6О размалывали в растворе этанола с помощью атриторной мельницы с шарами из оксида алюминия. После размалывания суспензию высушивали с помощью роторного испарителя. В таблице 1 износ шаров из оксида алюминия был включен в общий состав материалов.

В размолотый порошок добавляли 2,62 мас.% Al2O3 (включая 0,62 мас.% от износа шаров из оксида алюминия) и 2,65 мас.% Y2O3 в изопропаноле и размалывали в течение двух часов, используя планетарную мельницу. Размолотую смесь высушивали с помощью роторного испарителя, после чего осуществляли быстрое искровое плазменное спекание с использованием графитовых пресс-форм (матриц) с тонкими графитовыми пленками. Во избежание взаимодействия с графитом тонкие графитовые пленки были покрыты суспензией НБ (нитрида бора, англ. BN). Размолотую смесь спекали, применяя способ ИПС, при скорости нагрева 50К/мин, температуре 1740°C и давлении 115 МПа в среде аргона в течение примерно 5 мин. Скорость нагрева составляла 50К/мин. Поскольку использовали непроводящую футеровку или покрытие из гексагонального НБ (англ. hBN), процесс уплотнения скорее представлял собой быстрое горячее прессование, нежели ИПС, которое характеризуется прохождением тока через порошок.

Получали полностью уплотненный композит, включающий частицы субоксида бора, в котором равномерно распределена вторая фаза. Поверхность поперечного сечения образца шлифовали, а затем с использованием индентора Виккерса испытывали на твердость и трещиностойкость. Твердость составила примерно 34,9±0,63 ГПа под нагрузкой 0,4 кг, а трещиностойкость - примерно 4 МПа·м0,5.

Пример 5

Композит на основе субоксида бора получали, используя те же самые компоненты и условия, какие указаны в примере 4, за исключением того, что размолотую смесь спекали при температуре 1800°C и под давлением 80 МПа, применяя тот же способ ИПС, что и в примере 4. Полученный композит был полностью уплотнен. Он обладал твердостью 33 ГПа под нагрузкой 0,4 кг и трещиностойкостью 4 МПа·м0,5.

Пример 6

Композит на основе субоксида бора получали, используя те же самые компоненты и условия, какие указаны в примере 4, за исключением того, что в размолотый порошок добавляли 2,0 мас.% Al2O3 (включая износ шаров из оксида алюминия) и 2,0 мас.% Y2O3 и спекали при температуре 1850°C и под давлением 50 МПа. Полученный композит был полностью уплотнен и также включал Y2O3, Al2O3 и немного остаточного В2О3. Он обладал твердостью 34 ГПа и трещиностойкостью 4 МПа·м0,5.

Пример 7

Исходный порошок В6О размалывали с помощью струйной мельницы. Средний размер частиц после размалывания составлял 2,3 мкм. В примере 7а в размолотый порошок В6О добавляли 2 мас.% Al2O3 (включая износ шаров из оксида алюминия), 2 мас.% Y2O3, 2 мас.% HfO2 и 0,53 мас.% MgO (источником которого является исходный порошок бора /В/, используемый для приготовления В6О) в изопропаноле и размалывали в течение шести часов с помощью атриторной мельницы с шарами из Al2O3. Второй образец (пример 7b) приготавливали без добавления Y2O3. Размолотую смесь высушивали с помощью роторного испарителя, а затем помещали в графитовую пресс-форму (матрицу) с покрытием из гексагонального НБ и спекали в среде аргона с применением способа ИПС при скорости нагрева 50К/мин и времени выдержки 5 мин.

Уплотнение осуществляли при температуре 1850°C и 1900°C. Получали полностью уплотненный композит, включающий частицы субоксида бора, в котором равномерно распределена вторая фаза. В образце, содержащем Y2O3, наряду с аморфной межзеренной границей наблюдали образование борида HfB2. В образце без добавления Y2O3 при рентгенографии обнаружили дополнительную кристаллическую фазу, содержащую Al18B4O33. MgO вместе с остаточным В2О3 и небольшим количеством Al2O3 образовал аморфную фазу межзеренной границы. Такая аморфная фаза межзеренной границы является более устойчивой, чем та, которая образуется только с Al2O3 (Shabalala). Типичная особенность, состоящая в образовании микропор, не наблюдалась, в результате чего значения твердости были выше.

Поверхность поперечного сечения образца шлифовали, а затем с использованием индентора Виккерса испытывали на твердость и трещиностойкость. Значения твердости под нагрузкой 0,4 кг приведены в таблице 1.

Примеры 8-9

Композиты на основе субоксида бора получали в тех же условиях, какие изложены в примере 7, но заменяя HfO2 на WO3, TiB2 и TiH2, соответственно, в соотношениях, указанных в таблице 1. Уплотнение осуществляли при температуре 1850°C и 1900°C. При температуре 1850°C наблюдали плотность 96-98%. При температуре 1900°C наблюдали плотность более 98%.

В этих образцах образовалось также некоторое количество Al18B4O33 и борид. Образование микропористости, как сообщается в WO 2007/029102 (Shabalala и др.) и [9] не происходило, что указывает на повышение устойчивости фазы межзеренной границы. Кроме фазы оксида, во всех примерах также образовались бориды (HfB2, W2B5, которые представляют собой композицию с областью однородности, а также иногда обозначаются как WB2-W2B5 и WB2, используются как эквиваленты, так как подробное определение постоянных (параметров) решетки не проводили).

Примеры 10-11

Композиты на основе субоксида бора получали в тех же условиях, какие изложены в примере 1, но заменяя материалы второй фазы, как указано в таблице 1. Кроме того, в таблице 1 приведены данные, полученные при различных испытаниях и измерениях.

Примеры 12-13

Композиты на основе субоксида бора получали в тех же условиях, какие изложены в примере 7, но заменяя материалы второй фазы, как указано в таблице 1. Кроме того, в таблице 1 приведены данные, полученные при различных испытаниях и измерениях.

Добавление 10 мас.% TiB2 к композиции B6O+Y2O3/Al2O3 не приводит к изменению характеристики уплотнения.

Материал с добавлением WO3 (пример 8) имеет почти 100%-ную плотность и видно образование боридов. Размер частиц выделившихся боридов - менее 1 мкм. Без добавления оксидов редкоземельных металлов аморфная фаза оксидной межзеренной границы является менее устойчивой и легче отшлифовывается с образца, это указывает на то, что добавление оксидов редкоземельных металлов повышает износостойкость. Кроме того, из знаний о стекле известно, что восстановление В2О3, которое имеет место при увеличении содержания Y2O3, повышает температуру стеклования, что означает повышение устойчивости к высоким температурам [12].

Эти результаты доказывают возможность создания на основе В6О плотных сверхтвердых материалов без высокого давления. Более сильное уплотнение этих материалов в сравнении с чистым В6О связано с образованием жидкой фазы во время уплотнения.

Таблица 1
Компоненты материала (темп, спекании, °C) Соотнош. добавок (мас.%) Hv (5 кг), (ГПа) KIC (МПа·м0,5) Фазы (после спекания) Плотность (г/см3)
Ссылки* B6O - 30,1 (Нагрузка 1 кг) Хрупкий B6O 2,5
Известный уровень техники* B6O+Al2O3 - 29,3 3,5 B6O Al4B2O9
Пример 1 B6O+Al2O3+Y2O3 (1800°C) 2:2,65 33,2±2,8 6,3±1,0 B6O аморфная вторая фаза 2,53
Пример 2 B6O+Al2O3+Y2O3 (1800°C) 1:1,32 30,4±1,8 6,0±0,4 B6O аморфная вторая фаза 2,41
Пример 3 B6O+Al2O3+Y2O3+SiO2 (1800°C) 2:2,65:1 33,5±2,2 5,0±1,0 B6O аморфная вторая фаза 2,46
Пример 4 B60+Al203+Y2O3 (1740°C) 2,62:2,65 33,4±0,6** 4,3 B6O аморфная вторая фаза 2,56
Пример 5 B6O+Al2O3+Y2O3 (1800°C) 2,62:2,65 33,0±0,7** 4,0*** B6O аморфная вторая фаза 2,60
Пример 6 B6O+Al2O3+Y2O3 (1850°C) 2:2 32,1±0,6** 4,0*** B6O аморфная вторая фаза 2,53
Пример 7 B6O+Al2O3+Y2O3+HfO2+MgO (1900°C) 2:2:2:0,53 34,2±0,5** 4 B6O, HfB2 аморфная вторая фаза 2,52
Пример 8а B6O+Al2O3+Y2O3+WO3+MgO (1900°C) 2:2:4:0,53 35,6±0,4** 4 B6O, W2B5 аморфная вторая фаза 2,65
Пример 8b B6O+Al2O3+Y2O3+WO3+MgO (1850°C) 2:2:4:0,53 34,0±0,5** 4 B6O, W2B2 аморфная вторая фаза 2,61
Пример 9а B6O+Al2O3+Y2O3+TiH2+MgO (1900°C) 2:2:5:0,53 36,1±0,6** 4 B6O, TiB2 аморфная вторая фаза 2,49
Пример 9b B6O+Al2O3+Y2O3+TiB2+MgO (1900°C) 2:2:10:0,53 36,8±0,5** 4 B6O, TiB2 аморфная вторая фаза 2,68
Пример 10 B6O+La2O3 (1850°C) 2,5 31,0±1,8 5,6 B6O, LaB6 аморфная вторая фаза 2,47
Пример 11 B6O+Yb2O3 (1850°C) 1,5 30,4±1,6 4,0 B6O, YbB6 аморфная вторая фаза 2,59
Пример 12 B6O+Al2O3+Sc2O3+MgO (1900°C) 2:2:0,53 36,7±0,6** 4 B6O аморфная вторая фаза 2,57
Пример 13 B6O+Al2O3+Y2O3+BN (1900°C) 2:2:2 31,3±0,8** 3,6 B6O аморфная вторая фаза 2,45
* Данные для ссылок и образец известного уровня техники взяты из WO 2007/029102 (Shabalala и др.)
** Измерения проводились под нагрузкой 0,4 кг
*** Измерения проводились методом испытания на удар с надрезом, радиус надреза 30 мкм

1. Композиционный материал на основе субоксида бора, включающий субоксид бора и вторую фазу в связанной когерентной форме, причем вторая фаза содержит оксид редкоземельного металла и равномерно распределена в субоксиде бора и при этом оксид редкоземельного металла присутствует в количестве до 20 об.% от композиционного материала.

2. Композиционный материал по п.1, в котором оксид редкоземельного металла выбран из группы, включающей оксиды скандия, иттрия и элементов ряда лантаноидов.

3. Композиционный материал по п.2, в котором оксид редкоземельного металла представляет собой оксид иттрия.

4. Композиционный материал по п.1, в котором вторая фаза содержит еще другой оксид.

5. Композиционный материал по п.4, в котором упомянутым другим оксидом является оксид элемента групп IIA, IIIA и IVA Периодической системы элементов.

6. Композиционный материал по п.5, в котором другой оксид выбран из группы, включающей Al2O3, SiO2, MgO, CaO, BaO и SrO.

7. Композиционный материал по п.4, в котором оксид редкоземельного металла представляет собой оксид иттрия, а другой оксид - оксид алюминия.

8. Композиционный материал по п.1, в котором вторая фаза содержит также борид, выбранный из группы, включающей бориды железа, кобальта, никеля, титана, вольфрама, тантала, гафния, циркония, рения, молибдена и хрома.

9. Композиционный материал по п.1, в котором оксид присутствует в количестве до 10 об.% от композиционного материала.

10. Композиционный материал по п.1, в котором оксид присутствует в количестве до 5 об.% от композиционного материала.

11. Композиционный материал по п.1, в котором субоксид бора используется в виде частиц или гранул.

12. Композиционный материал по п.1, в котором средняя зернистость частиц или гранул субоксида бора находится в пределах от 100 нм до 100 мкм.

13. Композиционный материал по п.12, в котором средняя зернистость частиц или гранул субоксида бора находится в пределах от 100 нм до 10 мкм.

14. Композиционный материал по п.1, в котором субоксид бора присутствует в количестве по меньшей мере 50 об.% от композиционного материала.

15. Композиционный материал по п.1, трещиностойкость которого составляет более 3,5 МПа·м0,5.

16. Композиционный материал по п.1, твердость которого составляет более 25 ГПа.

17. Способ получения композиционного материала на основе субоксида бора по пп.1-16, включающий стадии, на которых:
обеспечивают источник субоксида бора,
вводят источник субоксида бора в контакт с оксидом редкоземельного металла или со смесью или металлом, способными к образованию такого оксида, и, необязательно, с другим оксидом или боридом; и
спекают реагирующую массу с получением композиционного материала на основе субоксида бора.

18. Способ по п.17, в котором реагирующую массу спекают под давлением менее 200 МПа и при температуре 1740-1900°C.

19. Способ по п.17, в котором реагирующую массу спекают при скорости нагрева 50-400 K/мин и времени выдержки в изотермических условиях не более 5 мин.

20. Способ по п.17, в котором реагирующую массу спекают при скорости нагрева 8-10 K/мин и времени выдержки в изотермических условиях 15-25 мин.

21. Способ по п.17, в котором упомянутое контактирование субоксида бора с оксидом редкоземельного металла, или со смесью, или металлом осуществляется путем смешивания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к твердым электролитам с проводимостью по ионам кислорода. .

Изобретение относится к керамическому порошку, а также к керамическому слою и многослойному материалу, полученным из этого порошка, и может быть использовано для создания теплоизолирующих материалов.
Изобретение относится к композиции для изготовления огнеупорных материалов и к способу ее изготовления. .

Изобретение относится к обожженному огнеупорному керамическому продукту. .

Изобретение относится к галлийоксид-цинкоксидной распыляемой мишени для получения прозрачной электропроводной пленки. .

Изобретение относится к монолитным огнеупорам, а именно к леточным массам, используемым для закрытия леток доменных печей после выпуска чугуна и шлака. .

Изобретение относится к технологии изготовления оксидных керамических изделий и может быть использовано в химической, атомной, электронной, электротехнической промышленности.

Изобретение относится к керамической мишени, которая предназначена для применения при осаждении пленок в распылительных установках, в частности, при магнетронном распылении.

Изобретение относится к составам материалов для атомной энергетики и предназначено для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых реакторов (кориума) при запроектной аварии с выходом расплава из корпуса.
Изобретение относится к материалам для изготовления пробирного камня и может быть использовано при определении пробы драгоценных металлов с последующим извлечением их электрохимическим способом из растворов после проведения операции пробирного контроля.

Изобретение относится к получению композиционного материал на основе субоксида бора и может быть использовано при отрезных работах и в деталях, подверженных износу

Изобретение относится к технологии синтетических сверхтвердых материалов, в частности композиционному материалу на основе субоксида бора

Раскрыта совокупность керамических частиц, содержащая множество отдельных сыпучих частиц, которая может использоваться в самых разных промышленных процессах и продуктах, включая, например, абразивные среды, как зернистое покрытие для кровельного гонта на основе битума, как фильтрующая среда для жидкостей, как заменитель песка в процессах литья по выплавляемым моделям и как пропанты при бурильных работах с погружным пневмоударником, в которых керамические частицы могут именоваться пропантами. Это множество имеет полную массу и гранулометрический состав частиц. Эффективная ширина гранулометрического состава превышает 100 микронов и содержит три прилегающие и неперекрывающиеся области, включающие первую область, вторую область и третью область. Первая область прилегает ко второй области, а вторая область прилегает к третьей области. Ширина второй области составляет по меньшей мере 25% эффективной ширины. Масса частиц во второй области не превышает 15% полной массы множества частиц. Масса частиц в первой области и третьей области каждая превышает массу частиц во второй области. Технический результат заключается в совокупности частиц, обладающих определенными характеристиками для повышения сопротивления к раздавливанию, удельной проводимости и стойкости к осаждению при одновременном снижении стоимости производства для предприятия изготовителя керамических частиц. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил., 1 пр.

Изобретение относится к комплекту чернил, содержащих хромофорные металлы для цифровой печати на керамических материалах. Комплект чернил включает жидкие красящие композиции (А), (В), (С) и одну из (D) и (Е). (А) включает по меньшей мере соединение кобальта. (В) включает по меньшей мере соединение железа. (С) включает по меньшей мере соединение металла, выбранного из хрома, никеля и их смесей. (D) включает по меньшей мере соединение кобальта и по меньшей мере соединение железа. (Е) включает одно или более соединений циркония. Указанные соединения металлов разлагаются при температуре от 500 до 1300°C. При взаимодействии с керамическим материалом соединения металлов из композиций (A)-(D) образуют окрашенные оксиды или окрашенные соединения. Соединения циркония из композиции (Е) с керамическим материалом образуют белые оксиды или белые соединения. Описываются также способ декорирования керамических материалов посредством цифровой печати указанным комплектом чернил и декорированные керамические изделия, полученные этим способом. Изобретение обеспечивает декорированные цифровой печатью керамические материалы широкого диапазона цветов с эффектом природного камня. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 45 табл., 5 пр.
Наверх