Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации


 


Владельцы патента RU 2572101:

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 тетрагонального диоксида циркония. Разработанные материалы могут быть использованы для получения износостойких изделий, режущего инструмента, керамических подшипников, медицинских нерезорбируемых имплантатов. Керамический материал на основе диоксида циркония, стабилизированного 3 мол.% оксида иттрия, содержит добавку силиката натрия в количестве 2-5 мас.%. Технический результат изобретения - увеличение прочности материала, спекающегося до плотного состояния при низкой температуре 1130-1150°C. Полученный материал характеризуется нанокристаллической структурой, пористостью менее 0,01% и высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 350 МПа. 1 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе диоксида циркония. Плотные прочные керамические материалы на основе диоксида циркония тетрагональной модификации обладают высокой стойкостью к воздействию химических и биологической сред, высокими механическими свойствами, что позволяет их использовать в качестве износостойких изделий, различного режущего инструмента, в том числе, медицинских скальпелей, керамических подшипников, а также имплантатов для замещения костных дефектов.

Известен порошковый материал на основе тетрагонального диоксида циркония, стабилизированный 3 мол.% оксида иттрия [A. Ghosh; S. Sabharwal; A.K. Suri; B.T. Rao; Rama T.R. Mohan Synthesis and characterisation of nanocrystalline sinteractive 3Y-TZP powder Advances in Applied Ceramics V. 107, №3 (2008), pp. 170-175], который спекается на низкую температуру 1145 C с относительной плотностью около 95%. Низкая температура достигается благодаря использованию нанодисперсного порошка с высокой площадью удельной поверхности 90-95 м2/г. Недостатком данного материала является низкая плотность материала.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является керамический материал тетрагональной модификации [M. Trunec and K. Maca Compaction and Pressureless Sintering of Zirconia Nanoparticles // J.Am. Ceram. Soc, 90 [9] 2735-2740 (2007)] с температурой спекания около 1100°C и относительной плотностью 99,1%. Низкая температура спекания и достижение относительной плотности 99,1% является следствием использования нанодисперсных порошков с высокой с площадью удельной поверхности 123 м2/г. Недостатком данного материала является использование дорогостоящего оборудования для изостатического уплотнения при прессовании образцов и относительно низкая плотность материала.

Технический результат изобретения заключается в создании материала на основе тетрагональной модификации диоксида циркония, спекающегося до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01%) при низкой температуре 1130-1150°C и характеризующегося высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 350 МПа.

Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе тетрагонального диоксида циркония содержит добавку, способствующую спеканию при следующих соотношениях компонентов в материале, масс. %:

тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3 мол. %) - 95-98 масс. %, и добавка силиката натрия в количестве 2-5 масс. %, полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 350 МПа, равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 100 нм и открытой пористостью не более 0,01%.

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 (открытая пористость не более 0,01%) становится возможным при низких температурах 1130-1150°C, что позволяет получить высокие механические свойства (прочность при изгибе не менее 350 МПа). 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 механических свойств керамики.

Пример. Керамику получали из нанодисперсных порошков с удельной поверхностью более 150 м2/г. Высокодисперсные порошки синтезировали методом осаждения водного раствора оксихлорида циркония в водный раствор аммиака с добавлением органического растворимого полимера. Стабилизирующую добавку вводили в виде растворимой соли хлорида иттрия из расчета получения 3 мол. % оксида иттрия 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 1130°C. В результате получали керамический материал, состоящий из 100% тетрагональной фазы. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 80-120 нм, открытой пористостью не более 0,01%, прочностью при изгибе 370 МПа.

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 диоксида циркония тетрагональной модификации, отличающийся тем, что содержит добавку силиката натрия при следующих соотношениях компонентов в материале, мас.%: тетрагональный диоксид циркония с содержанием оксида иттрия 3 мол.% - 95-98 и добавка силиката натрия в количестве 2-5, полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 350 МПа, равномерной однородной структурой со средним размером кристаллов 80-100 нм и отрытой пористостью не более 0,01%.



 

Похожие патенты:

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.

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 области органической химии и высокомолекулярных композитных материалов на основе органических соединений, обладающих высокой температурой разложения, и может быть использовано в качестве покрытий, устойчивых к температурным воздействиям.

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к ортопедической стоматологии, и может быть использовано при изготовлении внутрикостных имплантатов.

Изобретение относится к аэрогелям, кальцинированным изделиям и изделиям с кристаллической структурой, содержащим ZrO2, и может найти применение в стоматологии. Способ получения аэрогеля включает стадии, на которых обеспечивают первый золь диоксида циркония, содержащий частицы кристаллического оксида металла, характеризующиеся средним размером первичных частиц не более чем 50 нанометров, добавляют радикально реакционно-способный модификатор поверхности к золю диоксида циркония с получением радикально полимеризуемого поверхностно-модифицированного золя диоксида циркония, добавляют инициатор радикальной полимеризации, нагревают с образованием геля, экстрагируют спирт, если присутствует, из геля посредством сверхкритической экстракции с получением аэрогеля.

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано при получении элементов памяти, наноэлектрических проводов, электрических и магнитных материалов.
Использование: для получения стабильных водных растворов полупроводниковых квантовых точек (КТ), покрытых оболочками оксида кремния, полученных на основе кремнийорганических соединений различного строения.

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.

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 химической технологии. Способ включает упаривание смеси водных растворов цинк- и железосодержащих солей карбоновой кислоты, взятых в стехиометрическом соотношении. В качестве солей карбоновой кислоты используют формиат цинка состава Zn(НСОО)2·2Н2О и формиат железа состава Fe(HCOO)2·2H2O с последующим прокаливанием на воздухе при температуре 650-750°С. Изобретение позволяет улучшить магнитные характеристиками полученного не содержащего примесей нанодисперсного материала. 5 ил., 3 пр.
Наверх