Способ получения нанокомпозита графена и карбида вольфрама

Изобретение относится к технологии получения керамических материалов на основе карбида вольфрама (WC), а также к технологии искрового плазменного спекания для получения керамических нанокомпозитов, обрабатываемых электрофизическими и электрохимическими методами, и может быть использовано в различных областях науки и техники. Способ получения нанокомпозита графена и карбида вольфрама включает диспергирование оксида графена в дистиллированной воде с последующим добавлением в полученную суспензию водной суспензии нанопорошка карбида вольфрама, удаление жидкой фазы из суспензии до получения порошкообразной массы, формирование под давлением заготовки из полученной порошкообразной массы и ее искровое плазменное спекание. Удаление жидкой фазы осуществляют центрифугированием с последующей лиофилизацией, а восстановление графена происходит в процессе искрового плазменного спекания заготовки. Содержание графена составляет менее 0,8 мас.% композитного материала. Технический результат - упрощение способа при одновременном повышении механических характеристик нанокомпозита графена и карбида вольфрама. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к технологии получения керамических материалов, а именно к области получения керамических материалов на основе карбида вольфрама (WC), а также к технологии искрового плазменного спекания для получения керамических нанокомпозитов с улучшенными токопроводящими и механическими характеристиками, и может быть использовано в различных областях науки и техники.

Из уровня техники известен способ получения керамики, состоящей из карбида вольфрама и нанотрубками углерода. Способ заключается в смешивании и прессовании порошков карбида вольфрама с нанотрубками углерода и спекании шихты (патент US 20080210473 А1).

Недостатком известного способа является использование дорогостоящих углеродных нанотрубок в качестве армирующего элемента, что соответственно делает процесс изготовления армирующих изделий дорогим, трудным из-за дефицита необходимого количества материала и не применимым в серийном производстве.

Наиболее близким по технической сути и решаемой задаче - прототипом - является способ получения нанокомпозита графена и карбида вольфрама. Способ включает диспергирование оксида графена в растворителе, добавление в полученную суспензию металлической соли, которая будет образовывать керамическую матрицу, термическая обработка суспензии для удаления жидкой фазы до получения порошкообразной массы, кальцинации металлической соли и восстановления графена, формообразования заготовки из полученной порошкообразной массы и ее искрового плазменного спекания (Патент US 2014/0197353 А1).

Недостатком прототипа является использование дополнительной термической обработки для восстановления графена и дополнительная кальцинация металлической соли для формирования керамической матрицы, а также образование агломератов графена при его восстановлении.

Задачей, на решение которой направленно заявленное изобретение, является создание простого, быстрого и легко масштабируемого процесса для улучшения получаемого нанокомпозита графена и карбида вольфрама без образования агломератов графена и неоднородной структуры.

Технический результат - упрощение способа при одновременном повышении качества композита.

Заявленный технический результат достигается посредством того, что в способе получения нанокомпозита, включающем диспергирование оксида графена, предназначенного для дальнейшего восстановления из него графена, в растворителе с последующим добавлением в полученную суспензию керамической матрицы, удаление жидкой фазы из суспензии до получения порошкообразной массы, предназначенной для формирования заготовки из полученной порошкообразной массы и ее искрового плазменного спекания, согласно изобретению при диспергировании оксида графена в качестве растворителя используют дистиллированную воду, керамическую матрицу добавляют в суспензию оксида графена в виде водной суспензии карбида вольфрама, удаление жидкой фазы осуществляют центрифугированием с последующей лиофилизацией, а восстановление графена осуществляют в процессе изготовления заготовки путем ее искрового плазменного спекания. Оптимально, чтобы mог×К/(mог×К+mwc)<0,8, где mог - масса оксида графена, mwc - масса карбида вольфрама, К=mг/m, mг - масса графена, полученная из m в процессе искрового плазменного спекания. В этом случае получаемый композит обладает повышенными механическими и улучшенными электропроводящими характеристиками.

Изобретение поясняется графическими материалами, где:

на Фиг. 1 - зависимость объемного сопротивления нанокомпозита от содержания графена;

на Фиг. 2 - механические свойства полученных образцов после спекания.

Способ осуществляется следующим образом.

Первоначально получают керамический нанопорошок карбида вольфрама и оксида графена посредством диспергирования порошкообразного оксида графена в дистиллированной воде. Параллельно готовится дисперсию частиц карбида вольфрама в дистиллированной воде с выдерживанием водородного показателя, который заранее был зафиксирован с помощью добавления гидроксида, при постоянном перемешивании до получения стабильной суспензии. Затем к дисперсии оксида графена при перемешивании добавляют суспензию частиц карбида вольфрама, при этом контролируется водородный показатель (pH) - он поддерживается постоянным (путем добавления гидроксида). Порядок добавления суспензии не влияет на конечный результат. После процесса гетерокоагуляции супернатант удаляется с помощью центрифугирования, а оставшаяся суспензия оксида графена / карбид вольфрама сушится с помощью лиофилизации. Следующим этапом является формирование под давлением заготовки в графитовой матрице для дальнейшей обработки методом искрового плазменного спекания (Spark Plasma Sintering) с целью придания окончательной плотности порошка и получения токопроводящего нанокомпозита с однородной микроструктурой, при этом графен восстанавливается из оксида графена.

Пример осуществления способа.

Используется коллоидальный процесс для изготовления нанопорошка оксида графена/карбида вольфрама. Первоначально получают керамический нанопорошок карбида вольфрама и оксида графена посредством диспергирования порошкообразного оксида графена в дистиллированной воде (или по модифицированному методу Хамерса), например в концентрациях 3,5; 7; 10,5; 14,5 г/л. Параллельно готовится дисперсия частиц карбида вольфрама, например 40 г, в дистиллированной воде, например 100 мл, выдерживая водородный показатель (pH) постоянным (в рассматриваемом случае он равен 7) с помощью добавления, например гидрат аммиака, при постоянном перемешивании до получения стабильной суспензии. Затем к дисперсии оксида графена, при перемешивании, добавляют дисперсию частиц карбида вольфрама, при этом выдерживается водородный показатель (pH) и фиксируется в значение 7. Порядок добавления суспензии не влияет на конечный результат, т.е. возможно добавление к суспензии карбида вольфрама, суспензию оксида графена. После процесса гетерокоагуляции, супернатант удаляется с помощью центрифугирования, а оставшаяся суспензия оксида графена/карбид вольфрама сушится с помощью лиофилизации. Следующим этапом является формирование под давлением заготовки в графитовой матрице для дальнейшей обработки методом искрового плазменного спекания (Spark Plasma Sintering) при температуре, например 1800°С, со скоростью нагрева, например 100/мин, рабочим давлением, например 80 МРа и выдерживанием температуры, например в 1 мин, с целью придания окончательной плотности порошка и получения нанокомпозита карбида вольфрама с восстановленным графеном.

После спекания изделий в них была определена реальная массовая доля графена. Для сравнения этих результатов был изготовлен еще один образец карбида вольфрама без содержания графена. Результаты определения механических характеристик полученных примеров указаны в Таблице 1, а также в Фиг. 1 и 2.

В результате проведенного эксперимента №1 показаны значения объемного сопротивления, твердости, прочности при растяжении и трещиностойкости карбида вольфрама без включения графена. Эти значения будут использоваться как эталон для сравнения других результатов.

В примере №2 был получен образец 1-G/WC и наблюдается, что при массовой доле графена, равной 0,15%, происходит улучшение всех механических характеристик, а также электропроводимости, что выражается как обратная зависимость объемного сопротивления материала.

Проведенный эксперимент №3 указывает на то, что при увеличении реальной массовой доли графена до 0,21% происходит маленькое увеличение электропроводимости и снижение твердости, но при этом происходит увеличение предела прочности при растяжении и трещиностойкости до их максимальных значениий, полученных в этих примерах.

В примере №4 был получен образец 3-G/WC и он показывает, что при увеличении массовой доле графена до 0,43% значения твердости и объемного сопротивления не меняются по сравнению с полученными результатами в примере №3. При этом происходит снижение значений механических характеристик как предел прочности при растяжении и трещиностойкость.

Эксперимент №5 указывает на то, что при увеличении реальной массовой доли графена до 0,81% происходит ухудшение большинства механических характеристик, измеренных в этих примерах, по сравнению с другими результатами. В этом случае происходит только улучшение электропроводности материала.

Сравнительный анализ результатов показывает, что заявленное процентное содержание графена в массовой доле является предпочтительным для осуществления заявленного способа и достижения заявленного результата, а именно полученные нанокомпозиты в примерах 2, 3, 4, где соблюдено условие mог×K/(mог×К+mwc)<0,8, обладают повышенными механическими и улучшенными электропроводящими характеристиками по сравнению с карбидом вольфрама без включения графена.

Таким образом, можно сделать вывод, что в результате осуществления заявленного способа, в виде простого, быстрого и легко масштабированного процесса можно получать нанокомпозиты графена и карбида вольфрама без образования агломератов графена и неоднородной структурой благодаря применению коллоидального процесса с последующей лиофилизацией, для удаления жидких фаз. Кроме того, доказано, что применение метода искрового плазменного спекания позволяет контролировать размер зерен, сохранить структуру исходного порошка, получить однородные микроструктуры композита, провести спекание при температурах ниже принятых для карбида вольфрама, применить низкие значения давления при спекании по сравнению с другими подобными методами, что значительно повышает физико-механические свойства спеченного материала.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, не известной на дату приоритета из уровня техники, необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для получения нанокомпозита из керамического порошка;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки, известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

1. Способ получения нанокомпозита графена и карбида вольфрама, включающий диспергирование оксида графена, предназначенного для дальнейшего восстановления из него графена, в растворителе с последующим добавлением в полученную суспензию керамической матрицы, удаление жидкой фазы из суспензии до получения порошкообразной массы, предназначенной для формирования заготовки из полученной порошкообразной массы, и ее искрового плазменного спекания, отличающийся тем, что при диспергировании оксида графена в качестве растворителя используют дистиллированную воду, керамическую матрицу добавляют в суспензию оксида графена в виде водной суспензии карбида вольфрама, удаление жидкой фазы осуществляют центрифугированием с последующей лиофилизацией, а восстановление графена осуществляют в процессе изготовления заготовки путем ее искрового плазменного спекания.

2. Способ получения нанокомпозита графена и карбида вольфрама по п.1, отличающийся тем, что
mог×K/(mог×K+mwc)<0,008,
где mог - масса оксида графена,
mwc - масса карбида вольфрама,
K=mг/mог,
mг - масса графена, полученная из mог в процессе искрового плазменного спекания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к композиционным керамическим материалам конструкционного назначения и способу его получения. Материал может быть использован для изготовления высокопрочных изделий, преимущественно в медицинской области в качестве эндопротезов суставов.

Изобретение относится к инструментальной промышленности, в частности к обработке металлов резанием, и может быть использовано при изготовлении режущих керамических пластин.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технологии изготовления керамических проппантов, предназначенных для использования в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти или газа методом гидравлического разрыва пласта - ГРП.

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к способам изготовления периклазовых клинкеров для производства огнеупорных материалов. Способ изготовления периклазового клинкера, содержащего 90-98% MgO, включает кальцинацию природного магнезита при температуре 900-1050оС, помол кальцинированного магнезита, его брикетирование и обжиг брикета.

Изобретение относится к технологии конструкционной керамики и может быть использовано для изготовления износостойких изделий, используемых в качестве подшипников, нитеводителей, водителей для проволоки, шаровых клапанов в устройствах для перекачки суспензий, а также в качестве деталей бумагоделательных машин.

Изобретение относится к способам изготовления керамических изделий из нанопорошков диоксида циркония и может быть использовано в машиностроении, химической промышленности и медицине для получения конструкционных и функциональных материалов.

Изобретение относится к технологии керамических материалов конструкционного назначения и может быть использовано для изготовления пористых изделий для высокотемпературной теплоизоляции или теплозащиты, носителей катализаторов и фильтров очистки жидких и газовых сред.

Изобретение относится к производству термостойких изделий из керамических материалов, которые могут иметь электротехническое назначение. Технический результат изобретения - улучшение физико-механических свойств изделий и возможность изготовления изделий сложной формы Композицию из порошка нитрида кремния с добавками оксидов металлов из группы: Al2O3, Y2O3, MgO, взятых в количествах Al2O3 2-6 мас.%, Y2O3 не более 9 мас.%, MgO не более 6 мас.% от массы шихты (общее количество добавок составляет не более 17% от массы шихты) подвергают механоактивации в среде этанола, высушивают смесь, проводят холодное одноосевое прессование в закрытой пресс-форме при давлении 50-100 МПа.

Изобретение относится к технологии плотно спеченных керамических материалов конструкционного назначения и может быть использовано для изготовления изделий, сочетающих высокие показатели прочности с повышенными термомеханическими свойствами и элементы ударопрочной защиты.

Изобретение относится к технологии получения керамического материала с высокими прочностными характеристиками и может быть использовано для изготовления износо- и химически стойких изделий, а также для изготовления изделий военной техники, а именно керамических бронеэлементов.

Настоящее изобретение относится к области композитных конструкций, применяемых в качестве жаростойкого теплообменника или фильтра в летательных аппаратах гражданской авиации, авиакосмической и ракетной техники.

Изобретение относится к огнеупорным материалам, которые могут быть использованы в черной и цветной металлургии в качестве футеровки доменных, шахтных и других печей.

Изобретение относится к области создания высокотемпературных керамических материалов, а именно к способу получения плотноспеченного керамического материала из порошков карбида титана.

Изобретение относится к технологии получения высокоплотных изделий спеканием заготовок из уплотненных нанодисперсных порошков карбида вольфрама методом электроимпульсного плазменного спекания (SPS) и может быть использовано при изготовлении металлообрабатывающих инструментов, мишеней для напыления износостойких покрытий экстремально нагружаемых ответственных деталей машин, например коленчатых валов тяжелых бронированных транспортных средств, а также материалов специального назначения с эффектом динамической сверхпрочности.

Изобретение относится к производству изделий из композиционных материалов с карбидно-металлической матрицей, получаемых методом объемного металлирования. Способ изготовления изделий из композиционных материалов на основе матрицы из карбидов металлов включает изготовление заготовки из пористого углеродсодержащего материала с низкой плотностью и высокой открытой пористостью и ее металлирование паро-жидкофазным методом.
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.
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении деталей и узлов неохлаждаемых конструкций нового поколения авиационных газотурбинных двигателей с повышенными характеристиками удельной мощности и топливной экономичности, работающих при температурах до 1750°С в условиях воздействия окислительных сред.

Изобретение относится к композиционному материалу, содержащему частицы алмаза карбида бора и карбида кремния, и может быть использовано в качестве брони, инструментов для резки, сверления и механической обработки, а также в применениях, где происходит абразивный износ.

Изобретение относится к производству огнеупорного материала на основе оксикарбида алюминия. Технический результат изобретения - увеличение выхода Al4O4C с одновременным уменьшением содержания Al4C3 и достижение высокой производительности способа.
Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующегося высокой прочностью, термической и окислительной стойкостью, стойкостью к термоудару при градиенте температуры до 2000 К в условиях воздействия высокоскоростного окислительного потока.

Изобретение относится к электродной и химической промышленности и может быть использовано при изготовлении электродов, магнитных сенсоров, катализаторов. Композитный материал системы углерод-никель получают путем нанесения металлического активного компонента в виде раствора азида никеля на пористую углеродную основу, пропитки её пор на весь объём с последующим восстановлением гидразингидратом до металлического наноразмерного никеля в сильнощелочной среде при рН ≥12 и температуре 90-100°С.

Изобретение относится к технологии получения керамических материалов на основе карбида вольфрама, а также к технологии искрового плазменного спекания для получения керамических нанокомпозитов, обрабатываемых электрофизическими и электрохимическими методами, и может быть использовано в различных областях науки и техники. Способ получения нанокомпозита графена и карбида вольфрама включает диспергирование оксида графена в дистиллированной воде с последующим добавлением в полученную суспензию водной суспензии нанопорошка карбида вольфрама, удаление жидкой фазы из суспензии до получения порошкообразной массы, формирование под давлением заготовки из полученной порошкообразной массы и ее искровое плазменное спекание. Удаление жидкой фазы осуществляют центрифугированием с последующей лиофилизацией, а восстановление графена происходит в процессе искрового плазменного спекания заготовки. Содержание графена составляет менее 0,8 мас. композитного материала. Технический результат - упрощение способа при одновременном повышении механических характеристик нанокомпозита графена и карбида вольфрама. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Наверх