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

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе тетрагонального диоксида циркония. Технический результат изобретения - увеличение прочности материалов, спекающихся до плотного состояния при низкой температуре 1300-1350°С. Керамический материал содержит добавку ниобат лития в количестве 2-5 мас.%, образующую низкотемпературный расплав. Полученный материал характеризуется нанокристаллической структурой и высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 500 МПа. Разработанные материалы могут быть использованы для получения износостойких изделий, режущего инструмента, керамических подшипников, медицинских нерезорбируемых имплантатов. 1 пр., 1 табл.

 

Изобретения 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.

Основным недостатком технологии керамики на основе диоксида циркония является высокая температура спекания 1700-1750°С [Андрианов, Н.Т., Балкевич, В.Л., Беляков, А.В., Власов, А.С., Гузман, И.Я., Лукин, Е.С., … & Скидан, Б.С. Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / Под ред. ИЯ Гузмана // М.: ООО Риф «Стройматериалы», 2012. - 496 с. - 2012].

Низкотемпературные керамические материалы с температурой спекания ниже 1400°С получают при использовании специальных дорогостоящих методов спекания (горячего и изостатического прессования) или за счет использования высокоактивных к спеканию ультрадисперсных порошков с высокой площадью удельной поверхностью и спекающих добавок, образующих расплав.

Так известен керамический материал тетрагональной модификации [М. Trunec and K. Масa Compaction and Pressureless Sintering of Zirconia Nanoparticles // J. Am. Ceram. Soc., 90 [9] 2735-2740 (2007)] с температурой спекания около 1100 0С 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 м3 /г. Недостатком данного материала является использование дорогостоящего оборудования для изостатического уплотнения при прессовании образцов, а также относительно низкая плотность материала, что приводит к снижению прочности.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является керамический материал тетрагональной модификации [патент №2572101 «Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации»] с температурой спекания около 1150°С. Низкая температура спекания, достижение относительной плотности (открытая пористость не более 0,01%) и прочности 350 МПа при изгибе достигается за счет использования ультрадисперсных порошков 150 м2/г и применения добавки - силиката натрия в количестве 2-5 масс. %. Недостатком данного материала является низкая прочность материала. Это является следствием содержания в материале аморфной стеклофазы низкой прочности.

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 1300-1350°С, и характеризующийся высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 500 МПа.

Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе тетрагонального диоксида циркония, содержит добавку ниобат лития, способствующую спеканию при температуре 1300-1350°С при следующих соотношениях компоненты в материале, масс. %:

тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3-9 мол. %) - 95-98 масс. %, и добавка ниобат лития в количестве 2-5 масс. %, полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 500 МПа, равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50-100 нм и открытой пористостью не более 0,01%.

Керамический материал указанного состава неизвестен. При спекании добавка (ниобат лития, температура плавления около 1250-1260°С) образует низкотемпературный расплав, что способствует спеканию материала по жидкофазному механизму. В результате спекание до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01%) становится возможным при низких температурах 1300°С, что позволяет получить высокие механические свойства (прочность при изгибе не менее 500 МПа). При температурах спекания более 1450°С происходит рост кристаллов, что приводи к снижению прочности. При температурах ниже 1150°С падение прочности происходит в следствии увеличении пористости. При использовании добавки менее 1 масс. % материал имеет высокую открытую пористость, что приводит к снижению прочности материала. При использовании добавки более 10 масс. % в материале в качестве второй фазы остается непрочные соединения ниобатов лития, содержание которых приводит к снижению прочности керамики. При содержании оксида иттрия менее 3 мол. % образуется моноклинная модификация, а при более 9 мол. % кубическая модификация, содержание которых также снижает прочность материала.

Пример. Керамику получали из нанодисперсных порошков диоксида циркония, содержащего 9 мол. % оксида иттрия, с удельной поверхностью 90 м3/г. В порошки вводили ниобат лития в количестве 5 масс. % в виде порошка. Смешение проводили на планетарной мельнице в течение 30 минут до получения порошка с равномерным распределением добавки. Для получения образцов, порошок прессовали в виде балочек размером 30*3*3 мм. Полученные образцы спекали при температуре 1300°С. В результате получали керамический материал, состоящий из 100% тетрагональной фазы. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 80-100 нм, открытой пористостью не более 0,01%, прочностью при изгибе 500 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 ниобат лития, при следующих соотношениях компонентов в материале, мас.%:

тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3-9 мол.%) - 95-98 и добавка ниобат лития в количестве 2-5, полученный материал, спекается при температуре 1300-1350°С, характеризуется прочностью при изгибе не менее 500 МПа, равномерной однородной структурой со средним размером кристаллов 80-100 нм и отрытой пористостью не более 0,01%.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к изготовлению спеченного режущего изделия. Спекают заготовку из металлокерамики или цементированного карбида, содержащую углерод и связующий металл.

Изобретение относится к сцинтилляционному составу на основе граната для применения при обнаружении ионизирующего излучения, который может быть использован для обнаружения гамма-квантов в ПЭТ-визуализации.
Изобретение относится к способу получения низкопористого материала на основе карбида бора с пористостью 1-2% при пониженной (ниже 1000°С) температуре спекания. Материал может быть использован для изготовления пластин для бронежилетов, а также различных компонент изделий, требующих повышенной твердости при высоких температурах.

Изобретение относится к замедлителю нейтронов, используемому для нейтронозахватной терапии. Замедлитель нейтронов получают путём наложения и соединения дискообразных деталей, спеченных из порошка фторида магния, которые не имеют трещин и сколов, а имеют высокую относительную плотность.

Изобретение относится к способу получения наноструктурированного керамического материала на основе нитрида кремния Si3N4, модифицированного углеродом. Материал может быть использован для изготовления пластин для бронежилетов, а также различных компонент изделий, требующих повышенную твердость и трещиностойкость.

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

Изобретение относится к детали, выполненной из керамического материала, такой как подвижная лопатка турбины или неподвижная лопатка направляющего аппарата в составе турбомашины.

Способ относится к технологии производства алюмонитридных керамических деталей плоской конфигурации, изготовленных методом литья шликеров. Первоначально осуществляют отжиг в вакууме при температуре 1300-1400°С в течение 2 часов пластин из пористого графитоподобного нитрида бора, используемых в качестве огнеупорной оснастки при обжиге алюмонитридных деталей при остаточном давлении 10-4 мм рт.ст., нагрев пластин производят в печи со скоростью 300°С/ч, а охлаждение осуществляет вместе с печью до комнатной температуры.

Изобретение относится к технологии керамических материалов и может быть использовано для получения трёхмерных объектов из керамических порошков. Изобретение направлено на сокращение времени, затрачиваемого на послойное электронно-лучевое спекание изделий из керамического порошка при обеспечении однородности нагрева каждого слоя керамического порошка.
Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к способу получения прекурсора для синтеза лейкосапфира. Предложенный способ заключается в том, что смесь гидраргиллита с 1÷15 мас.% электрокорунда с размером зерна от 10 до 50 мкм заливают 0,5÷2 мас.% водного раствора соляной кислоты и размешивают до образования композиции из однородной дисперсной фазы, композицию помещают в автоклав, в котором осуществляют гидротермальную обработку при температуре 180÷220°С в течение 4÷26 часов, полученную смесь образовавшегося и электрокорунда сначала греют в муфельной печи на воздухе при температуре не выше 1200°С до полного удаления влаги, далее переносят в вакуумную печь, нагревают и выдерживают при температуре от 1700 до 1800°С в течение 1÷2 часов, полученную керамику затем охлаждают до образования прекурсора.

Изобретение относится к технологии получения керамических композитов с улучшенными механическими, экологическими и декоративными характеристиками и может быть использовано для производства ответственных технических и/или декоративных и ювелирных изделий, таких как корпус часов, циферблат, а также в иных областях народного хозяйства.

Изобретение относится к области изготовления высокопрочных материалов, а именно керамики на основе оксида циркония, частично стабилизированной оксидом иттрия, и может быть использовано для производства размольных шаров, футеровочных пластин, подложек для спекания радиотехнического назначения, а также имплантатов для протезирования суставов человека.

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 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 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 производству композиционных материалов, преимущественно конструкционного назначения, и может быть использовано для изготовления теплозащитных слоистых композиционных изделий, предназначенных, например, для эффективной тепловой защиты аэрокосмических летательных аппаратов и их энергетических систем.

Изобретение относится к технологии получения пористого керамического материала и предназначено для получения искусственных эндопротезов костной ткани. Предложен способ получения пористого керамического биоматериала на основе диоксида циркония, включающий приготовление термопластичной смеси из дисперсного порошка диоксида циркония, стабилизированного 5 мас.% MgO, порообразователя и пластификатора с последующим формованием изделий и термообработкой.

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.

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 составам керамических масс, которые могут быть использованы преимущественно для изготовления облицовочной плитки. Керамическая масса для изготовления облицовочной плитки содержит следующие компоненты, мас.%: каолин 8,0-10,0; фосфорит 6,4-7,0; кирпичная глина 78,6-82,0; романцемент 3,0-5,0.

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе тетрагонального диоксида циркония. Технический результат изобретения - увеличение прочности материалов, спекающихся до плотного состояния при низкой температуре 1300-1350°С. Керамический материал содержит добавку ниобат лития в количестве 2-5 мас., образующую низкотемпературный расплав. Полученный материал характеризуется нанокристаллической структурой и высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 500 МПа. Разработанные материалы могут быть использованы для получения износостойких изделий, режущего инструмента, керамических подшипников, медицинских нерезорбируемых имплантатов. 1 пр., 1 табл.

Наверх