Способ получения смесей высокодисперсных гетерофазных порошков на основе карбида бора



Способ получения смесей высокодисперсных гетерофазных порошков на основе карбида бора
Способ получения смесей высокодисперсных гетерофазных порошков на основе карбида бора
Способ получения смесей высокодисперсных гетерофазных порошков на основе карбида бора
Способ получения смесей высокодисперсных гетерофазных порошков на основе карбида бора
Y10S977/776 -
Y10S977/776 -
C04B35/6261 - Формованные керамические изделия, характеризуемые их составом (пористые изделия C04B 38/00; изделия, характеризуемые особой формой, см. в соответствующих классах, например облицовка для разливочных и плавильных ковшей, чаш и т.п. B22D 41/02); керамические составы (содержащие свободный металл, связанный с карбидами, алмазом, оксидами, боридами, нитридами, силицидами, например керметы или другие соединения металлов, например оксинитриды или сульфиды, кроме макроскопических армирующих агентов C22C); обработка порошков неорганических соединений перед производством керамических изделий (химические способы производства порошков неорганических соединений C01)
C01P2004/52 - Неорганическая химия (обработка порошков неорганических соединений для производства керамики C04B 35/00; бродильные или ферментативные способы синтеза элементов или неорганических соединений, кроме диоксида углерода, C12P 3/00; получение соединений металлов из смесей, например из руд, в качестве промежуточных соединений в металлургическом процессе при получении свободных металлов C21B,C22B; производство неметаллических элементов или неорганических соединений электролитическими способами или электрофорезом C25B)

Владельцы патента RU 2683107:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" (RU)

Изобретение относится к керамической технологии и порошковой металлургии и предназначено для получения высокодисперсных гетерофазных порошковых композиций, которые могут быть использованы для производства керамических бронеэлементов, материалов, работающих в условиях абразивного износа, изделий, применяемых в машиностроении, в энергетических и химических технологиях, в аэрокосмической технике. Требуемые порошки получают путем восстановления смеси оксидов бора, кремния и/или d-металла высокодисперсным углеродом (сажей) в вакууме или в защитной газовой среде при температурах 1500-1800°С. В качестве исходных веществ могут быть использованы порошки борной кислоты, борного ангидрида, оксида кремния, оксида переходного d-металла побочной подгруппы IV-VI групп Периодической системы элементов. Для обеспечения однородности распределения компонентов и высокой дисперсности смесей исходные кислородсодержащие вещества предварительно гомогенизируют путем их совместного плавления в воздушной среде с последующим образованием прекурсоров в стеклокристаллическом состоянии, содержащих необходимые для синтеза оксидные компоненты, равномерно распределенные на атомно-ионном уровне непосредственно в структуре стеклокристаллического прекурсора. Указанная гомогенизация препятствует образованию агломератов частиц одного из компонентов за счет экранирования частиц синтезируемых компонентов друг от друга, которое увеличивает диффузионный путь одноименных атомов и затрудняет процесс вторичной рекристаллизации, что приводит к получению высокодисперсных продуктов синтеза. 6 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к керамической технологии и порошковой металлургии, в частности к синтезу гетерофазных смесей бескислородных тугоплавких соединений, содержащих карбид бора, и может быть использовано для производства керамических бронеэлементов, материалов, работающих в условиях абразивного износа, изделий, применяемых в машиностроении, в энергетических и химических технологиях, в аэрокосмической технике.

Известен способ получения карбида бора методом карботермического восстановления борного ангидрида (Косолапова Т.Я. Карбиды. М.: Металлургия, 1968, с. 190):

2B2O3+7С→В4С+6СО

При проведении синтеза в малопроизводительной графитовой трубчатой печи при температурах 1700-1800°С в защитной среде ( F. Boron carbide - a comprehensive review, Journal of the European Ceramic Society, 1990, 6, 205-225.) получают стехиометрический карбид бора со средним размером частиц 0,5-5 мкм. Основной недостаток указанного способа заключается в наличии примеси свободного углерода (графита) в составе порошка в случае использования стехиометрического соотношения исходных реагентов вследствие потери части бора в виде оксида бора в процессе синтеза.

Изобретение (патент RU 2550848, С01В 31/36, опубл. 20.05.2015) относится к способу синтеза карбида бора, реализуемому при высокоскоростном нагреве шихты из смеси аморфного бора и высокодисперсного углеродного материала, в частности нановолокнистого углерода. Шихта загружается в тигель из стеклоуглерода, который помещается в кварцевый реактор, последний в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Синтез осуществляют в среде аргона при температуре 1700-1800°С с выдержкой в течение 15-20 минут. Изобретение позволяет предотвратить возможность появления примеси свободного углерода при получении карбида бора состава в интервале его области гомогенности. Потерь при синтезе практически не происходит. Недостатками предложенного технического решения является его экономическая нерентабельность и требование специального оборудования.

Известен способ получения порошка тугоплавкого вещества, в том числе тугоплавких металлов, их сплавов, карбидов, боридов, нитридов, карбонитридов и т.д. (патент RU 2446915, B22F 9/10, опубл. 10.04.2012). Исходную шихту в виде твердого сыпучего материала подогревают до температуры 0,4-0,8 от температуры плавления шихты и подают в расположенный в камере вращающийся водоохлаждаемый тигель, где ее расплавляют путем возбуждения плазменной дуги между тиглем, являющимся анодом, и катодом плазменно-дугового источника нагрева. Полученный расплав, характеризующийся гомогенным составом, распыляют в газовой среде (аргон, гелий, азот или их смесь) и кристаллизуют высокодисперсные капли расплава при охлаждении. В результате получаемый при распылении сферический порошок однороден по составу и структуре. Недостатком решения является сложность в осуществлении предложенного процесса ввиду необходимости специальных установок. Помимо этого указанный способ направлен на получение порошков электропроводных объектов, к которым карбид бора не относится.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому, принятым за прототип, является совместное получение порошков в системе B4C-SiC методом карботермического восстановления оксидов В2О3 и SiO2 сажей (Rocha R.М., Mello F. С. L. Sintering of B4C-SiC powder obtained in-situ by carbothermal reduction, Materials Science Forum, 2008, 591-593, 493-497). В качестве источника борного ангидрида использовался измельченный продукт дегидратации борной кислоты при температуре 300°С. С целью компенсации потерь бора в виде оксида/субоксида бора в шихту вводили избыток В2О3 в количестве 25% мас. сверх стехиометрической величины. Синтез проводился в среде аргона при температуре 1700°С с выдержкой 30 минут .Фазовый состав полученных порошков представлен фазами В4С, β-SiC, в некоторых случаях B2O3, С.Помимо наличия примесных фаз в порошках недостаток указанного способа заключается в «грубой» дисперсности получаемого продукта (без проведения дополнительного измельчения): размер частиц карбида бора достигает 5 мкм, карбида кремния - 20 мкм; это говорит о том, что не обеспечено равномерное распределение разноименных частиц (частиц разных фаз) в объеме порошка.

Сущность заявляемого изобретения заключается в совместном получении высокодисперсных гетерофазных порошковых композиций, включающих карбид бора и одно или несколько из ниже перечисленных соединений: карбид кремния, бориды переходных d-металлов побочной подгруппы IV-VI групп Периодической системы элементов.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в обеспечении высокой степени гомогенизации компонентов в объеме смеси. Поставленная задача решается за счет того, что исходные кислородсодержащие источники бора, кремния и/или d-металла предварительно гомогенизируют путем их совместного плавления в воздушной среде и далее восстанавливают высокодисперсным углеродом (сажей) в вакууме или в защитной газовой среде при температурах 1500-1800°С.

Техническим результатом является достижение однородности распределения компонентов синтезированных смесей и их высокой дисперсности. Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет создания прекурсоров в стеклокристаллическом состоянии, содержащих необходимые для синтеза оксидные компоненты, равномерно распределенные на атомно-ионном уровне непосредственно в структуре стеклокристаллического прекурсора. Указанная гомогенизация препятствует образованию агломератов частиц одного из компонентов за счет экранирования частиц синтезируемых компонентов друг от друга. Экранирование частиц компонентов друг от друга увеличивает диффузионный путь одноименных атомов и затрудняет процесс вторичной рекристаллизации, что приводит к получению высокодисперсных продуктов синтеза.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Фиг. 1 - Электронная микрофотография частиц стеклокристаллического прекурсора в системе B2O3-SiO2.

Фиг. 2 - Рентгеновская дифрактограмма синтезированного порошка в системе B4C-SiC

Фиг. 3-Электронная микрофотография частиц синтезированного порошка в системе B4C-SiC.

Фиг. 4 - Электронная микрофотография частиц стеклокристаллического прекурсора в системе B2O3-SiO2-TiO2.

Фиг. 5 - Рентгеновская дифрактограмма синтезированного порошка в системе B4C-SiC-TiB2.

Фиг. 6 - Электронная микрофотография частиц синтезированного порошка в системе B4C-SiC-TiB2.

Способ осуществляется следующим образом. Порошки борной кислоты (или борного ангидрида), оксида кремния и/или оксида переходного d-металла побочной подгруппы IV-VI групп Периодической системы элементов в заданном соотношении смешиваются и загружаются в тигель для плавления шихты в воздушной среде при температурах в диапазоне 500-1800°С, после чего жидкий расплав выливают на плиту из нержавеющей стали. Средний размер частиц полученных стеклокристаллических прекурсоров находится в пределах 50-200 нм в зависимости от состава. На данной стадии обеспечивается высокая степень гомогенизации оксидных компонентов в объеме. Далее стеклокристаллический материал дробится и измельчается до дисперсности менее 1 мкм, затем смешивается с высокодисперсным углеродом (сажей) в требуемом для синтеза бескислородных соединений соотношении. Полученная смесь помещается в углеродный тигель. Синтез проводится в вакууме или в защитной газовой среде со скоростью нагрева 350-400 град/ч с выдержкой при температурах 1500-1800°С. Готовый продукт представляет собой смесь порошков карбида бора, карбида кремния и/или борида переходного d-металла побочной подгруппы IV-VI групп Периодической системы элементов с высокой степенью гомогенизации компонентов в объеме. Морфология частиц синтезированных смесей представлена субмикронными или микронными многогранными частицами карбида бора, окруженными высокодисперсными частицами всех компонентов смеси.

Примеры реализации изобретения.

Пример 1. Порошки борной кислоты и диоксида кремния в соотношении H3BO3:SiO2=14,41:1 (мас.) смешиваются и загружаются в тигель для плавления при температуре 1000°С в воздушной среде, после чего жидкий расплав выливают на плиту из нержавеющей стали. Средний размер частиц полученного стеклокристаллического прекурсора составляет менее 100 нм (фиг. 1). На данной стадии обеспечивается высокая степень гомогенизации оксидных компонентов в объеме. Далее стеклокристаллический материал дробится и измельчается до дисперсности менее 1 мкм, затем смешивается с высокодисперсным углеродом (сажей) в требуемом для синтеза бескислородных соединений соотношении. Полученная смесь помещается в углеродный тигель. Синтез проводится в вакууме со скоростью нагрева 400 град/ч с выдержкой 1 час при температуре 1700°С. По данным рентгенофазового анализа (фиг. 2) продукт синтеза представляет собой порошковую смесь фаз карбида бора В4С (ромбоэдрический, а=5,61 , с=12,12 , пр. гр. R-3m) и карбида кремния SiC (гексагональный, а=3,08 , с=15,12 , пр. гр. P63mc). По данным РЭМ (фиг. 3) морфология частиц синтезированного порошка представлена многогранниками карбида бора, достигающими размера 5 мкм, окруженными ультрадисперсными частицами всех компонентов (В4С, SiC) со средним размером 300-500 нм.

Пример 2. Порошки борной кислоты, диоксида кремния и диоксида титана в соотношении H3BO3:SiO2:TiO2=28,19:1,67:1 (мас.) смешиваются и загружаются в тигель для плавления при температуре 1400°С в воздушной среде, после чего жидкий расплав выливают на плиту из нержавеющей стали. Средний размер частиц полученного стеклокристаллического прекурсора - менее 200 нм (фиг. 4). На данной стадии обеспечивается высокая степень гомогенизации оксидных компонентов в объеме. Далее стеклокристаллический материал дробится и измельчается до дисперсности менее 1 мкм, затем смешивается с сажей в требуемом для синтеза бескислородных соединений соотношении. Полученная смесь помещается в углеродный тигель. Синтез проводится в вакууме со скоростью нагрева 400 град/ч с выдержкой 1 час при температуре 1600°С. По данным рентгенофазового анализа (фиг. 5) продукт синтеза представляет собой порошковую смесь фаз карбида бора В4С (ромбоэдрический, а=5,60 , с=12,09 , пр. гр. R-3m), карбида кремния SiC (гексагональный, а=3,08 , с=15,12 , пр. гр. P63mc) и диборида титана TiB2 (гексагональный, а=3,03 , с=3,23 , пр. гр. Р6/mmm). По данным РЭМ (фиг. 6) морфология частиц синтезированного порошка представлена многогранниками карбида бора размером 0,3-1,0 мкм, окруженными наночастицами всех компонентов (В4С, SiC, TiB2) со средним размером ~ 50 нм.

Способ получения высокодисперсных гетерофазных порошковых композиций, включающих карбид бора и одно или несколько из перечисленных ниже соединений: карбид кремния, бориды переходных d-металлов побочной подгруппы IV-VI групп Периодической системы элементов, отличающийся тем, что исходные кислородсодержащие источники бора, кремния и/или d-металла предварительно гомогенизируют путем их совместного плавления в воздушной среде и далее восстанавливают высокодисперсным углеродом (сажей) в вакууме или в защитной газовой среде при температурах 1500-1800°С.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к зернам для изготовления керамических изделий, состоящих, по большей части, из недоксидов титана. Расплавленные зерна состоят из фаз недоксидов титана, отвечающих формуле TinO2n-1, в которых указанные фазы являются Ti5O9 или Ti6O11 или смесью двух этих фаз.

Способ включает плазменное напыление частиц однородного по крупности керамического материала на основе оксида алюминия на удаляемую оправку. Напыление ведут путем формирования монослоев за счет соударения напыляемых частиц керамического материала с поверхностью оправки под углом менее 45°, исключая ноль.

Изобретение относится к производству проппантов, применяющихся при добыче нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта. .
Изобретение относится к способу получения циркониевого электрокорунда, используемого для производства абразивного инструмента на гибкой основе и шлифкругов на органической связке.
Изобретение относится к производству огнеупоров и может использоваться в промышленности огнеупорных материалов и в металлургии. .

Изобретение относится к оборудованию для производства тугоплавких оксидных материалов. .

Изобретение относится к абразивной промышленности, а именно к производству абразивных материалов на основе циркониевого электрокорунда эвтектического и близэвтектического состава с высоким содержанием тетрагональной модификации диоксида циркония и направленной кристаллизацией эвтектических составляющих.

Изобретение относится к получению газоплотного твердооксидного трубчатого электролита с ионной проводимостью, который может быть использован при изготовлении различных электрохимических устройств, например твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), электролизеров и т.п.
Изобретение относится к составу шихты, предназначенной для получения пьезоэлектрических керамических материалов (ПЭКМ) различного назначения на основе ниобатов калия-натрия.

Изобретение относится к производству монолитных волоконно-матричных композиционных деталей и может быть использовано для получения термоизолирующих элементов, способных выдерживать высокие температуры и высокие внутренние и внешние давления.

Изобретение относится к технической керамике в виде композиционного материала SiC-TiN. Способ включает горячее прессование порошковой смеси.

Изобретение относится к детали из композиционного материала оксид/оксид, которая содержит волокнистое усиление, образованное множеством слоев нитей основы и слоев нитей утка, связанных между собой посредством трехмерного тканья, при этом пространства между нитями усиления заполнены матрицей из жаропрочного оксида.
Изобретение относится к керамическому материалу, который может успешно использоваться для получения режущих инструментов и свёрл для обработки пластмасс, армированных стекловолокнами и углеродными волокнами, или графита, а также для резки сплавов на основе никеля и продуктов черной металлургии.
Изобретение относится к шихте из минеральных жаростойких материалов и может быть использовано для футеровки агрегатов для плавки цветных металлов. Заявленная шихта содержит более 90 вес.% смеси следующих компонентов (вес.%): 3-74 по меньшей мере одного крупнозернистого оливинового сырья с содержанием форстерита по меньшей мере 70 вес.%, зёрна которого имеют размер более 0,1 мм; 25-49 по меньшей мере одной магнезии в виде тонкого порошка, у которого зёрна имеют размер ≤1 мм; 0,9-14 карбида кремния (SiC) с размером зёрен ≤1 мм; 0,1-10 по меньшей мере одной тонкодисперсной порошкообразной кремниевой кислоты с размером частиц ≤500 мкм; 0-4 антиоксиданта для огнеупорных продуктов; 0-4 жаростойкой гранулированного сырья с размером частиц более 0,1 мм; 0-2 по меньшей мере одной известной присадки; 0-4 добавки жаростойких материалов; 0-10 по меньшей мере одного известного вяжущего для огнеупорных продуктов, в сухой форме или в отдельно упакованной жидкой форме.
Изобретение относится к технологии пьезоэлектрической керамики с низкими температурами синтеза и спекания, обладающей высокими значениями пьезоэлектрических параметров, и может быть использовано при изготовлении керамики на основе ниобата-цирконата-титаната свинца для ультразвуковых устройств, различных пьезодатчиков.

Изобретение относится к области материалов для электронной техники, а именно к алюмооксидной керамике, используемой при изготовлении деталей СВЧ-приборов. Корундовую керамику получают из шихты, которая содержит электроплавленный корунд, оксид магния, оксисоль алюминия, легированную пентаоксидом ванадия при следующем соотношении компонентов, маc.%: оксид магния 0,08-0,30, оксисоль алюминия 1,5-3,0, пентаоксид ванадия 0,011-0,045, электроплавленный корунд – остальное.
Изобретение относится к области получения технических керамических материалов и направлено на получение мишеней-таблеток моносульфида самария, которые используют для магнетронного метода напыления микро- и нанопленок моносульфида самария как чувствительных элементов полупроводниковых тензодатчиков.

Изобретение относится к получению газоплотного твердооксидного трубчатого электролита с ионной проводимостью, который может быть использован при изготовлении различных электрохимических устройств, например твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), электролизеров и т.п.

Изобретение относится к керамической технологии и порошковой металлургии и предназначено для получения высокодисперсных гетерофазных порошковых композиций, которые могут быть использованы для производства керамических бронеэлементов, материалов, работающих в условиях абразивного износа, изделий, применяемых в машиностроении, в энергетических и химических технологиях, в аэрокосмической технике. Требуемые порошки получают путем восстановления смеси оксидов бора, кремния иили d-металла высокодисперсным углеродом в вакууме или в защитной газовой среде при температурах 1500-1800°С. В качестве исходных веществ могут быть использованы порошки борной кислоты, борного ангидрида, оксида кремния, оксида переходного d-металла побочной подгруппы IV-VI групп Периодической системы элементов. Для обеспечения однородности распределения компонентов и высокой дисперсности смесей исходные кислородсодержащие вещества предварительно гомогенизируют путем их совместного плавления в воздушной среде с последующим образованием прекурсоров в стеклокристаллическом состоянии, содержащих необходимые для синтеза оксидные компоненты, равномерно распределенные на атомно-ионном уровне непосредственно в структуре стеклокристаллического прекурсора. Указанная гомогенизация препятствует образованию агломератов частиц одного из компонентов за счет экранирования частиц синтезируемых компонентов друг от друга, которое увеличивает диффузионный путь одноименных атомов и затрудняет процесс вторичной рекристаллизации, что приводит к получению высокодисперсных продуктов синтеза. 6 ил., 2 пр.

Наверх