Способ изготовления высокопористого диоксида циркония

Изобретение относится к способам изготовления высокопористых керамических изделий и может быть использовано в машиностроении, химической промышленности и медицине для получения носителей катализаторов, фильтрующих элементов, биоимплантатов. Способ изготовления высокопористого диоксида циркония включает нанесение водной суспензии порошка на полимерную матрицу, сушку заготовки и спекание. Для приготовления суспензии используют нанопорошок диоксида циркония, который подвергают механической обработке в водном растворе полимера до образования агломератов частиц размером 1-10 мкм. После сушки заготовку выдерживают в течение не менее 24 ч в холодильной камере при температуре ниже 0°С. Спекание осуществляют при температуре 1300-1400°С. Обеспечивается получение высокопористого материала на основе диоксида циркония с пониженной температурой спекания без добавок активаторов спекания. 1 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к способам изготовления высокопористых керамических изделий и может быть использовано в машиностроении, химической промышленности и медицине для получения носителей катализаторов, фильтрующих элементов, биоимплантатов.

Одним из распространенных способов изготовления высокопористых материалов с открытой пористостью 80-95% является способ дублирования полимерной матрицы. При этом металлические материалы могут быть получены как методами прямого химического или электрохимического осаждения (Научные и технологические основы получения пористых металлов и сплавов / В.Н. Анциферов, В.В. Камелин, В.И. Кичигин, О.П. Кощеев. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 1997. 186 с.), так и суспензионным формованием. Материалы на основе керамических порошков получают суспензионным формованием (Проблемы порошкового материаловедения. Часть II. Высокопористые проницаемые материалы / В.Н. Анциферов, A.M. Беклемышев, В.Г. Гилев и др. - Екатеринбург: УрО РАН, 2002. 262 с.).

Для осуществления этого способа на вспененный полимер, чаще всего пенополиуретан, наносят суспензию керамического порошка в водном растворе органической клеящей добавки, например, поливинилового спирта (Патент РФ №2294317 от 27.02.2007).

Известно, однако, что суспензия для нанесения и качественной фиксации на поверхности ячеек пены с различной ориентацией должна быть тиксотропной (Анциферов В.Н., Порозова С.Е. Высокопористые проницаемые материалы на основе алюмосиликатов. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 1996. 207 с.). Такие свойства могут проявлять суспензии размером частиц дисперсной фазы 1-5 мкм (Добровольский А.Г. Шликерное литье. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1977. 240 с. Температура спекания порошков с частицами таких размеров не менее 0,7-0,8 от температуры плавления материала (Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1975. 200 с.). Таким образом, для спекания диоксида циркония, например, необходима температура 1900-2100°С. Разумеется, для большинства применений необходимость достижения подобных температур является серьезным препятствием.

Спекания при более низких температурах можно достичь при использовании наноразмерных порошков. В зависимости от способов получения нанопорошков температура спекания материалов может существенно отличаться. Так, плазмохимические порошки диоксида циркония даже при использовании дополнительной сухой обработки в высокоэнергетических мельницах спекаются при температурах 1600-1700°С (Кульков С.Н., Буякова С.П. Фазовый состав и особенности формирования структуры на основе стабилизированного диоксида циркония // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. №1-2. С. 119-132). Спекание нанопорошков, полученных химическим осаждением, проводят при температуре 1500-1550°С (патент РФ №2513973 от 20.04.14).

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ получения изделий из порошка диоксида циркония, включающий нанесение водной суспензии порошка на полимерную матрицу, сушку и спекание заготовки при температуре 1570-1620°С, описанный в патенте США (United States Patent №5045511. Int. Cl.5 C04B 38/00; C04B 35/48; C04B 35/80. Ceramic bodies formed from yttria stabilized zirconia-alumina / Paul A. Bosomworth, Cinta M. Kelzenberg, Kenneth R. Butcher. 484848; filed 26.02.1990; date of patent 03.09.1991). Данный способ принят за прототип.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является высокая температура спекания изделий.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - приготовление водной суспензии порошка; нанесение водной суспензии порошка на полимерную матрицу; сушка и спекание заготовки.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - снижение температуры спекания материала на основе диоксида циркония без добавок активаторов спекания.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе изготовления высокопористого диоксида циркония, включающем приготовление водной суспензии порошка, нанесение суспензии на полимерную матрицу, сушку и спекание заготовки, для приготовления суспензии используют нанопорошок диоксида циркония, который подвергают механической обработке в водном растворе полимера до образования агломератов частиц размером 1-10 мкм, высушенную заготовку выдерживают в течение не менее 24 ч в холодильной камере при температуре ниже 0°С, а спекание осуществляют при температуре 1300-1400°С.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от решения по прототипу, - для приготовления суспензии используют нанопорошок диоксида циркония, который подвергают механической обработке в водном растворе полимера до образования агломератов частиц размером 1-10 мкм; высушенную заготовку выдерживают в течение не менее 24 ч в холодильной камере при температуре ниже 0°С; спекание осуществляют при температуре 1300-1400°С.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют получить высокопористый материал с пониженной температурой спекания на основе диоксида циркония без добавок активаторов спекания. Способ легко осуществим на стандартном оборудовании.

Способ изготовления высокопористого диоксида циркония поясняется чертежом, на котором представлено СЭМ-изображение агломератов после обработки нанопорошка. Изображение агломератов нанопорошка получено на сканирующем электронном микроскопе FEI Phenom при увеличении 20000.

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером конкретного выполнения.

Пример 1

Для проведения испытаний был взят нанопорошок состава ZrO2 - 5 мас.% Y2O3, синтезированный в лабораторных условиях обратным осаждением аммиаком из водно-этанольных растворов соответствующих солей (Влияние добавок водорастворимых полимеров на фазовый состав и размеры частиц диоксида циркония при осаждении из растворов солей / В.Н. Анциферов, С.Е. Порозова, В.Б. Кульметьева // Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. №3. С. 402-408). По данным метода тепловой десорбции азота синтезированный порошок имел следующие характеристики: удельная поверхность 50-58 м2/г; рассчитанный размер частиц 18-21 нм. Область когерентного рассеяния (размер кристаллитов) 12-18 нм, а минимальный размер агрегатов по данным сканирующей электронной микроскопии 25-55 нм.

Порошок подвергали механической обработке в 0,5%-ном водном растворе полимера (например, поливинилового спирта) в планетарной мельнице с массовым соотношением жидкость:порошок:шары=1:1:2. Обработки в течение 30 мин оказалось достаточно для формирования агломератов округлой формы с размерами 1-5 мкм (см. чертеж).

Суспензию готовили с использованием в качестве дисперсионной среды 4-5%-ного водного раствора поливинилового спирта. Наносили на заготовку пенополиуретана со средним диаметром ячейки 2 мм, отжимали излишки и высушивали на воздухе. Высушенную заготовку выдерживали в течение 24 ч в холодильной камере при температуре ниже 0°С. Спекание проводили в воздушной атмосфере в печах с лантанхромитовыми нагревателями при температуре 1300-1400°С с выдержкой в течение 1,5 ч.

Получен материал с пористостью 85% и средним диаметром ячейки 1,2-1,8 мм. Прочность при сжатии полученного материала составила 1,5±0,5 МПа, что соответствует известным зависимостям прочности материалов, полученных дублированием полимерной матрицы, от пористости и среднего диаметра ячейки (Порозова С.Е. Разработка процессов получения и формирования структуры и свойств высокопористых проницаемых материалов на основе оксидных природных соединений: дис. 05.16.06 доктора технических наук: 05.16.06. Пермь, 2005. 312 с.).

Для получения сравнительных данных изготовили высокопористый диоксид циркония известным способом, взятым за прототип.

Пример 2 (прототип)

В качестве промышленного порошка использовали порошок аналогичного состава ДЦИ5 (ОАО «Чепецкий механический завод», г. Глазов). Средний размер частиц, измеренный на оптическом микроскопе МЕТАМ-ЛВ-31, составил 1-2 мкм, т.е. порошок может быть использован для получения тиксотропной суспензии.

Суспензию готовили с использованием в качестве дисперсионной среды 4-5%-ного водного раствора поливинилового спирта. Наносили на заготовку пенополиуретана со средним диаметром ячейки 2 мм, отжимали излишки и высушивали на воздухе. Спекание проводили в воздушной атмосфере в печах с лантанхромитовыми нагревателями при температуре 1550-1570°С с выдержкой в течение 1,5 ч.

Получен материал с пористостью 86% и средним диаметром ячейки 1,2-1,8 мм. Прочность при сжатии полученного материала составила 1,3±0,4 МПа. При температуре спекания 1300-1400°С материал был еще очень хрупким, что исключало возможность дальнейших манипуляций (нанесение активного компонента, например).

Таким образом, при осуществлении предложенного способа удается получить высокопористый материал с пониженной температурой спекания на основе диоксида циркония без добавок активаторов спекания.

Способ изготовления высокопористого диоксида циркония, включающий приготовление водной суспензии порошка, нанесение суспензии на полимерную матрицу, сушку заготовки и спекание, отличающийся тем, что для приготовления суспензии используют нанопорошок диоксида циркония, который подвергают механической обработке в водном растворе полимера до образования агломератов частиц размером 1-10 мкм, после сушки заготовку выдерживают в течение не менее 24 ч в холодильной камере при температуре ниже 0°C и спекают при температуре 1300-1400°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения сегментированного гелевого композита, содержащего стадии обеспечения листа сегментированного волокном холста или листа сегментированного пенопласта с открытыми порами, объединения листа с предшественником геля, гелеобразования предшественника геля, гелеобразования объединения с получением композитного листа, свертывания в рулон композитного листа и сушки композитного листа с получением сегментированного, армированного гелевого композита.

Изобретения относятся к высокопористым материалам, в частности к получению высокопористого материала из нитрида кремния с волокнистой структурой, предназначенного для эксплуатации при повышенных температурах в агрессивных средах, например в фильтрах для очистки расплавов металлов, в носителях катализаторов, огнепреградителях.

Изобретение относится к способу получения пористого теплоизолирующего заполнителя для теплоизолирующих многослойных панелей и оболочек. Изобретение может быть использовано в авиа- и судостроении, а также в химическом машиностроении.

Изобретение относится к области получения безобжиговых теплоизоляционных огнеупорных изделий для металлургии и теплоэнергетики для футеровки тепловых агрегатов, металлоплавильных и металлоразливочных устройств, электролизеров в алюминиевом и других высокотемпературных производствах.

Изобретение относится к составу шихты для получения пеностекла. Шихта для получения пеностекла, включающая гидрат окиси натрия, углерод, перлит, отличающаяся тем, что дополнительно содержит листовое стекло и/или тарное стекло при следующем соотношении размолотых до остатка не более 10% на сите №008 компонентов, мас.

Изобретение относится к композициям для термостойких и высокопрочных пеноматериалов, которые могут быть использованы в качестве высокотемпературной теплоизоляции, работающей в окислительной среде.

Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности к производству пористых заполнителей на основе жидкого стекла, предназначенных для изготовления легких бетонов, а также теплоизоляционных засыпок.

Изобретение относится к пористым керамическим телам, имеющим сложную форму, которая, в частности, подходит для применения в качестве носителя для каталитически активного вещества.

Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности к производству пористых заполнителей на основе жидкого стекла, предназначенных для изготовления легких бетонов, а также теплоизоляционных засыпок.

Изобретение относится к шихте для получения пористого проницаемого каталитического материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), который может быть использован для изготовления каталитических фильтров нейтрализаторов отработанных газов двигателей внутреннего сгорания, фильтрующих элементов, пламегасителей и аэраторов.

Изобретение относится к области получения высокопрочной керамики алюминат-литиевого класса на основе оксида циркония, которая может использоваться для изготовления лопаток газовых турбин и блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение относится к области получения высокопрочной керамики алюминат-литиевого класса на основе оксида циркония. может использоваться для изготовления лопаток газовых турбин и блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т.п.

Изобретение может быть использовано для создания электролита твердооксидного топливного элемента. Жидкофазный синтез многокомпонентного керамического материала в системе ZrO2-Y2O3-Gd2O3-MgO осуществляют путем выбора в качестве исходных реагентов солей ZrO(NO3)2⋅2H2O, Y(NO3)3⋅5H2O, Gd(NO3)3⋅6H2O и Mg(NO3)2⋅6H2O.

Заявляемое техническое решение относится к теплоизоляционным материалам и может быть использовано для тепловой защиты печей, а также в агрегатах с повышенными требованиями к механической прочности материала.

Изобретение относится к области покрытий керамических материалов, в частности к керамическим покрытиям, и может быть использовано для защиты керамических материалов, применяемых в авиакосмической технике.

Изобретение относится к способам получения наноразмерного порошкообразного стабилизированного диоксида циркония и может быть использовано для изготовления вакуумноплотной наноструктурированной керамики: твердых электролитов, сенсоров полноты сгорания топлива, мембран для твердооксидных топливных элементов; наномодифицированных органических и неорганических материалов; порошковых покрытий на металлах.
Изобретение относится к медицине, в частности к травматологии, ортопедии, регенеративной медицине, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, и может быть использовано для восстановления структуры и функции костной ткани.
Изобретение относится к медицине, в частности к травматологии, ортопедии, регенеративной медицине, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, и может быть использовано для восстановления структуры и функции костной ткани.

Изобретение относится к способу изготовления плотной керамики для твердого электролита на основе полностью стабилизированного диоксида циркония и может быть использовано в твердооксидных топливных элементах, высокотемпературных электрохимических устройствах в качестве электролитических элементов.

Изобретение относится к получению керамических композитов с нулевым коэффициентом термического линейного расширения, предназначенных для изготовления, в частности, запорных элементов нефтегазового комплекса.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ получения нанодисперсных оксидов металлов включает формирование реакционной смеси путем внесения нитратов металлов и карбамида в водную среду в стехиометрическом соотношении.

Изобретение относится к способам изготовления высокопористых керамических изделий и может быть использовано в машиностроении, химической промышленности и медицине для получения носителей катализаторов, фильтрующих элементов, биоимплантатов. Способ изготовления высокопористого диоксида циркония включает нанесение водной суспензии порошка на полимерную матрицу, сушку заготовки и спекание. Для приготовления суспензии используют нанопорошок диоксида циркония, который подвергают механической обработке в водном растворе полимера до образования агломератов частиц размером 1-10 мкм. После сушки заготовку выдерживают в течение не менее 24 ч в холодильной камере при температуре ниже 0°С. Спекание осуществляют при температуре 1300-1400°С. Обеспечивается получение высокопористого материала на основе диоксида циркония с пониженной температурой спекания без добавок активаторов спекания. 1 ил., 2 пр.

Наверх