Керамический материал с низкой температурой спекания на основе кубического диоксида циркония


 


Владельцы патента RU 2570694:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) (RU)

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе кубического диоксида циркония и может быть использовано в качестве износостойких изделий, а также в качестве твёрдого электролита. Керамический материал на основе кубического диоксида циркония, стабилизированного 8 мол.% оксида иттрия, содержит добавку силиката натрия в количестве 2-5 мас.%. Технический результат изобретения - получение материала повышенной прочности, спекающегося до плотного состояния при низкой температуре 1130-1150°C. Полученный материал характеризуется однородной структурой с открытой пористостью менее 1%, размером кристаллов 80-120 нм и высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 300 МПа и трещиностойкостью не менее 6,0 МПа∗м1/2. 1 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе диоксида циркония. Плотные прочные керамические материалы на основе кубического диоксида циркония обладают высокой термостойкостью, что позволяет их использовать в качестве износостойких изделий, режущего инструмента, керамических подшипников. Кроме того, материалы на основе кубического диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, находят широкое применение в качестве твердого электролита вследствие хорошей ионной проводимости по кислороду.

Известен керамический материал на основе кубического диоксида циркония, стабилизированного 8 мол.% оксида иттрия (8Y-FSZ) [М. Gaudon, E. Djurado, and N.М. Menzler, "Morphology and Sintering Behavior of Yttria Stabilized Zirconia (8-YSZ) Powders Synthesized by Spray Pyrolysis," Ceram. Int., 30 [8] 2295-303 (2004)]. Материал характеризуется нанокристаллической структурой с размером кристаллов 50-200 нм и относительной плотностью 97%. Недостатком данного материала является высокая температура спекания 1400°C и использование дорогостоящего оборудования для получения порошков для синтеза керамики на основе диоксида циркония.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является керамический материал 8-YSZ [Abhijit G., Ashok K., Suri, Boddapati Т., Rao and Tallapragada R., Ramamohan Low-Temperature Sintering and Mechanical Property Evaluation of Nanocrystalline 8 moл.% Yttria Fully Stabilized Zirconia] с температурой спекания 1150-1400°C. Низкая температура спекания является следствием использования нанодисперсных порошков с размером около 22 нм, получаемых методом химического осаждения. Недостатком данного материала является его низкая трещиностойкость 5,3 МПа∗м1/2, что является следствием неоднородной микроструктуры (размеры кристаллов 150-220 нм) и достаточно низкой относительной плотности - около 95%.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании плотного материала на основе кубического диоксида циркония с низкой температурой спекания.

Техническим результатом изобретения является получение плотной керамики (открытая пористость менее 1%) на основе кубического диоксида циркония с низкой температурой спекания, характеризующиеся повышенными механическими свойствами: прочность при изгибе не менее 300 МПа и трещиностойкость не менее 6,0 МПа∗м½.

Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе кубического диоксида циркония (содержание оксида иттрия 8 мол. %) дополнительно содержит добавку при следующих соотношениях компонентов в материале, масс. %: кубический диоксид циркония - 95-98 и силикат натрия в количестве 2-5 масс., полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 300 МПа, трещиностойкостью не менее 6,0 МПа∗м1/2, равномерной однородной структурой с размером кристаллов 80-120 нм и открытой пористостью менее 1%.

Керамический материал указанного состава неизвестен.

При спекании добавка (силикат натрия, температура плавления около 1070-1120°C) образует низкотемпературный расплав, что способствует спеканию композиционного материала по жидкофазному механизму. В результате спекание до плотного состояния (открытой пористостью менее 1%) становится возможным при низких температурах 1130-1150°C, что позволяет получить высокие механические свойства (прочность при изгибе более 300 МПа, трещиностойкость не менее 6 МПа∗м1/2). При температурах спекания более 1150°C происходит рост кристаллов, что приводит к снижению прочности. При температурах ниже 1130°C падение прочности происходит вследствие увеличения пористости. При использовании добавки менее 2 масс. % материал имеет высокую открытую пористость, что приводит к снижению прочности материала. При использовании добавки более 5 масс. % в материале при спекании образуется большое количество жидкой фазы, которая после охлаждения застывает в виде аморфной непрочной стеклофазы, что приводит к снижению прочности и трещиностойкости керамики.

Пример. Керамику получали из нанодисперсных порошков с удельной поверхностью более 100 м2/г. Высокодисперсные порошки синтезировали методом осаждения раствора оксихлорида циркония с добавлением органического растворимого полимера. Стабилизирующую добавку вводили в виде растворимой соли хлорида иттрия из расчета получения 8 мол. % по отношению к синтезируемому диоксиду циркония. Прокаливали порошки при температуре 600°C до полного удаления побочных продуктов синтеза. Затем в порошки вводили силикат натрия в количестве 5 масс. %. После прессования порошков полученные образцы спекали при температуре 1150°C. В результате получали керамический материал, состоящий из 100% кубической фазы. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 80-120 нм, открытой пористостью менее 1,0%, прочностью при изгибе 300 МПа и трещиностойкостью 6,0 МПа∗м1/2.

Были изготовлены образцы керамики, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом.

Полученные результаты сведены в таблицу.

Керамический материал с низкой температурой спекания на основе кубического диоксида циркония c содержанием оксида иттрия 8 мол.% дополнительно содержит добавку силиката натрия при следующих соотношениях компонентов в материале, мас.%:
кубический диоксид циркония - 95-98 и силикат натрия в количестве 2-5, полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 300 МПа, трещиностойкостью не менее 6,0 МПа*м1/2, равномерной однородной структурой с размером кристаллов 80-120 нм и открытой пористостью менее 1%.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к монолитному керамическому телу с периферийной областью из смешанного оксида и металлической поверхностью и может быть использовано в качестве имплантата или защитного средства для людей, транспортных средств, зданий или космических аппаратов.

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.

Способ получения керамики на основе диоксида циркония может быть использован в реставрационной стоматологии. Из исходных реагентов в виде водных растворов оксинитрата циркония (ZrO(NO3)2·2H2O), нитратов иттрия (Y(NO3)3·6H2O), алюминия (Al(NO3)3·9H2O) и водного раствора аммиака обеспечивают совместное осаждение гидроксидов циркония, иттрия и алюминия, гелеобразные осадки которых фильтруют и замораживают при температуре минус 20-25°С с образованием ксерогелей, которые подвергают процессу кристаллизации при температуре от 400°С до 500°С.
Изобретение относится к области технической керамики на основе диоксида циркония с трансформируемой тетрагональной (t') кристаллической фазой и может быть использовано для изготовления износостойких деталей в соединительных изделиях для волоконно-оптических линий связи, пар трения в насосах для перекачки абразивосодержащих и агрессивных жидкостей, деталей в условиях повышенных механических нагрузок.

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в производстве высокопрочных конструктивных и инструментальных материалов и изделий, например, волочильных инструментов.
Изобретение относится к изготовлению керамических изделий из материала на основе частично стабилизированного диоксида циркония: сверхострых и износостойких высокопрочных режущих инструментов для хирургии, травматологии, ортопедии и протезирования, безызносных пар трения для подшипников, мелющих тел, поршней тормозных дисков, фильер, вальцов, сопел, пружин и др.
Изобретение относится к химической промышленности, в частности к способам получения тонкодисперсных порошков на основе оксида циркония, который может быть использован для производства плотной износостойкой керамики, материалов для имплантологии, твердых электролитов.

Изобретение относится к области получения материалов на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и может быть использовано для изготовления композиционных керамических изделий, применяемых в электротехнике, машиностроении, химической, металлургической и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к технологии получения пористого керамического материала и предназначено для получения искусственных эндопротезов костной ткани. .
Изобретение относится к получению нанокристаллических порошков смешанных оксидов редкоземельных элементов (РЗЭ) и металлов подгруппы IVB и может быть использовано для изготовления нейтронопоглощающих и теплоизолирующих материалов, твердых электролитов для высокотемпературных твердооксидных топливных элементов.

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.

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 металлических материалов с модифицированной поверхностью. Способ получения поверхностно-наноструктурированного металлического материала включает восстановление металла из исходного металлсодержащего твердого материала путем обработки парами гидрофобизирующей кремнийорганической жидкости (ГКЖ) в виде низкомолекулярных олигоорганогидридсилоксанов с последующим отжигом в среде осушенного природного газа.

Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано в области разработки материалов на основе алмаза для магнитометрии, квантовой оптики, биомедицины, а также в информационных технологиях, основанных на квантовых свойствах спинов и одиночных фотонов.

Изобретение относится к области физической химии и может быть использовано в производстве биологически активных добавок, препаратов для мягкой антираковой терапии, контрастных веществ в клинической диагностики, косметических средств.

Изобретение относится к области углерод-каридокремниевых композиционных материалов (УККМ), предназначенных для работы в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано при создании ракетно-космической техники, где к изделиям предъявляется требование по герметичности под избыточным давлением.
Изобретение может быть использовано при изготовлении электронных и оптоэлектронных устройств, а также солнечных батарей. Исходный графит диспергируют иглофрезерованием с получением продукта диспергирования, содержащего графен и графитовые элементы.

Изобретение относится к углерод-карбидокремниевым композиционным материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении эксплуатационных характеристик изделий.

Изобретение относится к машиностроению и металлургии, а именно к устройству для формирования на поверхности полых стальных деталей наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы.

Изобретение относится к области нанотехнологии, радиационной и электромагнитной безопасности и может использоваться для придания веществам с нанотрубчатой структурой радиационно-защитных свойств.
Использование: для получения стабильных водных растворов полупроводниковых квантовых точек (КТ), покрытых оболочками оксида кремния, полученных на основе кремнийорганических соединений различного строения. Сущность изобретения заключается в том, что способ выделения и очистки квантовых точек, заключенных в оболочки оксида кремния, включает последовательное выделение квантовых точек, их троекратную очистку и разбавление бидистиллированной водой, причем выделение включает центрифугирование микроэмульсии с синтезированными квантовыми точками и удаление надосадочной жидкости для получения осадка, а очистка включает последовательное разбавление осадка, перемешивание, центрифугирование, удаление надосадочной жидкости, при этом в первой и второй очистке для разбавления используют спирт, согласно решению в качестве спирта используют этанол, или пропанол, или бутанол, в третьей очистке для разбавления используют этанол, а после разбавления очищенных квантовых точек бидистиллированной водой проводят ультразвуковую обработку в течение 30 мин, при этом центрифугирование во время выделения квантовых точек осуществляют при 7000-11500 об/мин и 5-15°C в течение 10-30 мин, а центрифугирование во время очистки осуществляют при 7000 об/мин и 20°C в течение 15 мин. Технический результат: обеспечение возможности увеличения количества и улучшения качества наночастиц, стабилизированных в водных средах. 1 з.п. ф-лы.
Наверх