Способ изготовления поликристаллических изделий и шликер для литья поликристаллических изделий
Союз Советскнх
Соцнапнстнческнх
Респубпнк
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
{53 ) М. Кл. С 04 В 35/00 Государственный квинтет но делаи нзабретеннй н открытнй Опубликовано 30.06.82. Бюллетень №24 Дата опубликования описания 3006.82 {53) УДК666.76 (088.8) (72) Авторы изобретения В.А. Новиков и А.М. Морозов (7I) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ И ШЛИКЕР ДЛЯ .ПИТЬЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Изобретение относится к электронной технике, технике получения керамических материалов, в частности к способам создания текстур в поликристаллических иэделиях, пред ставляющих собой керамику или связанные вяжушими или пластмассами порошковые композиции, и может быть использовано для изготовления изделий, содержаших диэлектрические анизотропные кристаллические частицы, образующие в изделии кристаллическую фазу, у которой упорядочено в пространстве расположение некоторых кристаллографических направлений. Известно несколько способов получения текстур в поликристаллических изделиях. Нитевидные монокристаллы, широко применяемые для армирования композиционных материалов, ориентируют при помоши механических воздействий на кристаллические частицы вытянутой формы (экструзня, вытягивание и др.) или под действием электрического поля. Вытянутая частица разворачивается в поле таким образом, что большая ось частицы располагается вдоль снловых линий поля (1). Однико данный способ применим только к материалам, из которых можно вырастить нитевидные монокристаллы, а выращивание таких кристаллов технически очень сложно и дорого. Известен также способ создания текстур в ферромагнитных материалах при изготовле. нии постоянных магнитов, в котором порошок магнитного материала, состояший из монокристаллических однодоменных частиц, обладающих магнитным дипольным моментом, помещают в сильное магнитное поле. Частицы порошка вследствие взаимодействия дипольного момента с внешним полеМ разво рачиваются и выстраиваются определенным кристаллографическим направлением вдоль силовых линий поля, так как направление 20 магнитного диполъного момента связано со структурой решетки. После этого порошок прессуют в изделие для придания прочности и затем спекают. В результате получается маг 939424 4 способлены для рябо ы в сильных электрических полях и имеют высокую концентрацию твердой фазы, что не позволяет частицам порошка свободно разворачиваться под действием поля на начальных стадиях процесса уплотнения. Цель изобретения - изготовление текстурированных изделий из материалов, обладающих анизотропией диэлектрической проницаемости. Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления поликристаллических изделий путем приготовления исходного, порошка, формования изделия при одновременном воздействии электрическим полем с последующим спеканием формование осуществляют литьем в пористые формы из шликера на основе жидкого диэлектрика в переменном во времени периодическом элект20 рическом поле положительной и отрицательной полярности с периодом, меньшим удвоенного 30 55 нитно-анизотропное изделие, которое затем намагничивают (2) . Такой способ можно было бы перенести на материалы, обладающие электрическим дипольным моментом, но электрический дипольный момент, даже если он присущ некоторым материалам, долго сушествовать не может. Он компенсируется за счет различных механизмов проводимости, Наиболее близок к предлагаемому способ изготовления поликристаллических изделий из пиро- и пьезоэлектрического материала путем пироэлектрической обработки, по которому изделие формуют из крупно- или мелкозернистых порошков пироэлектрических материалов,. обладающих собственным электрическим дипольным моментом, зависящим от температуры. Порошок до и/или во время уплотнения в изделие или затвердевания вяжущего или пластмассы подвергают действию электрического поля. Компенсацию дипольного момента за счет проводимости предотвращают изменением. температуры порошка, находящегося в электрическом поле. Если скорость компенсации дипольного момента меньше скорости изменения температуры, то электрическое поле эффективно воздействует на нескомпенсированный дипольный момент и ориентирует частицы порошка. Способ изготовления текстурованных изделий из пироэлектрических материалов путем пироэлектрической обработки применим только к узкому классу пироэлектрических материалов, характеризующихся тем, что они 35 обладают спонтанной электрическои поляризацией, которая изменяет свою величину при изменении температурыГЗЗ. Однако известный способ не позволяет по лучить на кристаллической частице электри40 ческий дипольный момент, неколлинеарный полю и способный существоватЬ длительное время, что в свою очередь, не позволяет ориентировать кристаллические частицы электрическим полем. Процесс уплотнения сориентированных 45 часгиц порошка в,изделие играет большую роль, так как от него зависит окончательная степень ориентации частиц в изделии. Уплотнение изделия осуществляют литьем керамических иэделий из водных суспензий. Известен, например, водный литейный шликер влажностью 30-40% с добавками поверхностно-активного вещества (соляная кислота) до 1 вес. % (4). Литейные шликеры, применяющиеся для литья керамических изделий, непригодны для изготовления текстурированных иэделий в электрическом поле, поскольку они не привремени жизни электрического диполя, наведенного на любой частице порошка. Изделие после литья охлаждают до температуры, ниже температуры застывания диэлект рика и вынимают из формы при этой температуре. При этом шликер для литья поликристаллических изделий, содержащий жидкий диэлектрик, керамический порошок и 0,1 .. 1,0 об.% поверхностно-активного вещества, содержит указанные компоненты в следующем соотношении, об. %: Поверхностно-активное вещество 0,1-1 Жидкий диэлектрик Остальное Шликер содержит жидкий диэлектрик, обладающий диэлектрической проницаемостью, близкой к минимальной диэлектрической проницаемости частиц керамического порошка. Вследствие анизотропии диэлектрической проницаемости частицы направление наведенного дипольного момента не совпадает с направлением вектора напряженности внешнего электрического поля при произвольной начальной ориентации частицьн Поэтому на частицу действует механический вращаюший момент, который врашает частицу до тех пор, пока направление максимальной диэлектрической проницаемости не становится параллельным направлению вектора напряженности внешнего электрического поля. Направление максимальной диэлектрической проницаемости частицы определяется свойствами решетки, поэтому частицы порошка ориентируются в поле в соответствии с кристаллографической симметрией кристаллическбй решетки. Лля . предотвращения компенсации составляюшей Е - напряженность внешнего злектричесо кого поля; Ч вЂ” объем частицы; с(— угол между направлением максималь5 ной диэлектрической проницаемости частицы и направлением вектора напряженности электрического поля; относительная диэлектрическая проницаемость жидкости, в которой находит. 10 ся частица; минимальная диэлектрическая проницаемость частицы порошка; - максимальная диэлектрическая прони3 цаемость частицы порошка; N иМ- коэффициенты деполяризации частицы х "Ч в соответствуюгцнх направлениях, зависящие or формы частицы. Из приведенного соотношения видно, что, выбирая жидкий диэлектрик, обладающий ди20 электрической проницаемостью достаточно близкой к минимальной диэлектрической проницаемости частицы, можно существенно снизить нли устранить вовсе влияние формы части цы на ориентацию. 25 Пористая форма, используемая для литья изделий по предлагаемому способу, должна быть снабжена обоймой из диэлектрического материала, позволяющей производить вакуумирование формы с наружной стороны, а так30 же уплотняющей прокладкой. Текстурованные поликристаллические изделия изготавливают из порошка, содержащего коруид (eL = А1,10 ) в количестве вес. 98%. Используют порошок с размером частиц до 5 мкм и средней несферичностью час35 тиц P = 1,5-2 (P = ldelg. Кристаллы корунда имеют максимальную относительную Г диэлектрическую проницаемость 11,53, мини.-- мальную - 9,35. Уплотнение в изделие осуществляют путем литья в пористую глиноземистую 40 форму. Во время уплотнения иэделия порошок подвергают воздействию переменного однородного электрического поля частотой 50 Гц, иэ- г меняющегося во времени по гармоническому закону, напряженностью 14,5 кВ/см. Изделие имеет форму диска диаметром 58 и высотой 3 мм. Электрическое поле прикладывают в направлении, параллельном плоскости диска. Форму с залитым в нее шликером вакуумируют со стороны донышка до давления 2,66 + + 3,99.10 Па. е- Шликер состоит из, об.%: порошок 30; жидкий диэлектрик трансформаторное масло 69,5 и поверхностно-активное вещество (олеиновая кислота). Длительность формования изделия в поле 1 ч. Отформованное изделие охлаждают до минус-90 С, вынимают в охлажденном состоянии из формы и помещают в глиноземистую засыпку . Предварительный обжиг из939424 дипольного момента. непараллельной нектору напряженности электрического поля и обусловленной процессами пронодимости, используется переменное во времени электрическое поле. Если скорость компенсации диполя меньше скорости изменения напряжепности поля, то диполь эффективно взаимодействует с полем Н3 протяжении всего времени изменения поля. Применение периодических полей положительной и отрицательной полярности позволяет значительно продлить время взаимодействия наведенного диполя с внешним полем и довести его до времени, н течение которого существует внешнее поле. При этом важную роль играет период внешнего поля, который должен быть меньше удвоенного времени жизни неколлинеарной полю составляющей дипольного момента, наведенного на любой частице порошка. Жидкие диэлектрики Не приспособлены для выполнения функций вяжущих, они медленно испаряются, поэтому для придания механической прочности отформированному путем литья изделию его охлаждают до температуры ниже температуры застывания диэлектрика, вынимают из формы при этой температуре и помещают в капсели для предварительного обжига в засыпке из глинозема. Литейный шликер на основе жидкого диэлектрика должен содержать достаточно большое количество жидкости, чтобы частицы порошка на начальных стадиях ориентации могли беспрепятственно разворачиваться под действием поля. Для этого расстояние между соседними частицами должно быть сравнимо с размером частиц. Это определяет концентрацию твердой фазы в шликере, составляющую об. 10 o. Частицы порошка в электрическом поле могут ориентироваться либо в соответствии с диэлектрическими свойствами, либо в соответствии с формой (направление, в котором размер частицы максимален, становится параллельно силовым линиям поля). Когда форма частиц не согласована со свойствами кристаллической решетки, эти факторы могут конкурировать и приводить к неблагоприятной ориентации частиц, особенно сильно вытянутых. Величина механического вращающего момента, действующего на частицу эллипсоидальнои формы в электрическом поле, дается соотнош нием: Е<-Е В=1/rr Е+Мх(4-И б -е E+ s Жч ®) где М - механический вращающий момент; Ео - диэлектрическая постоянная вакуума. Концентрация твердой фазы, об. % Время формования, мин тепень ориентации, eelïï ь мОнОкРист 32,8 115 28,4 90 20,6 50 12,5 63 7 делий проводят в засыпке при максимальной температуре 1300 С в течение 2 ч. Уаксимальо ная температура окончательного обжига. о 1780 С, время выдержки при максимальной температуре 6 ч. Степень ориентации кристаллической фазы в иэделии определяют путем измерения диэлектрической проницаемости изделия. АНизот ропия диэлектрической проницаемости в плосПлотность текстурования образцов после окончательного обжига составляет 3,68 г/см., 6 - 57,7 кг/мм,Пиэлектрическая проницаемость в двух взаимно перпендикулярных направлениях имеет значения: „г1х= 10,87,6.п,-п— - 10,08, и Е = 0,79; гпс х= 1073Яю1 Р 1038 д E = 035 Таким образом, предлагаемый способ изготовления поликристаллических изделий, литейный шликер и пористая форма для его осуществления позволяют получать текстурованные изделия из широкого класса материалов, обладающих анизотропией диэлектрической проницаемости. Формула изобретенмя 1. Способ изготовления поли ристаллических изделий путем приготовления исходного порошка, формования иэделия при одновременном воздействии электрическим полем с последующим спеканием, о т л и ч а ю щ и й. с я тем, что, с целью изготовление текстурованных изделий из материалов, обладающих анизотропией диэлектрической проницаемости, формование осуществляют литьем в пористые формы из шликера на основе жидкого диэлектрика в переменном во времени периодическом электрическом поле положительной 939424 8 кости диска составляет 25-30% по отношению к монокристаллу. (Анизотропия лимкк рической проницаемости понимается в смысле разности диэлектрических пронииаемостей в двух взаимно перпендикулярных направлениях, в которых диэлектрическая проницаемость макси. мальна и минимальна). В таблице приведены данные степени ориентации и времени формования в зависимости о" концентрации твердой фазы в шликере. и отрицательной полярности с периодом, меньшим удвоенного времени жизни электрического диполя, наведенного на любой частице порошка, 35 2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что изделие после литья охлаждают до температуры ниже температуры замерзания диэлектрика и вынимают из формы при этой температуре. 3. Шликер для литья поликристаллических изделий, содержащий жидкий диэлектрик, керамический порошок и 0,1-1 об.% поверхностно-активного вещества, о т л и ч а юшийся тем, что ои содержит указанные 45 компоненты в следующем соотношении,об.%: Керамический порошок 10-50 Поверхностно-активное вещество,9,1-1 Жидкий диэлектрик Остальное 4. Шликер по п. 3, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что он содержит жидкий диэлектрик, обладающий диэлектрической проницаемостью, близкой к минимальной диэлектрической проницаемости частиц порошка. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. "Монокристалльные волокна и армированные ими.материалы". Под ред. А.Т.Туманова. М., Ъ1ир", 1973, с. 116. 9 939424 10 2. Buschow К.Н.Т. Preparation of SmCo - 4. Полубояринов fl.Í„Áaïêåâè÷ В.Л., Permanent Magenets. — "J. of Applied Physics" Попильский P.ß. Высокоглиноземистые кера1970, ч: 40, N 10, р. 717. мические и огнеупорные материалы, М., 3. Заявка ФРГ 11 2352241,кл. С 04 В 35/00, Госстройиздат, 1960, с. 214. опублик. 1975, 5 Составитель Н.Соболева Редактор Л.Пчелинская Техред И, Гайду Ко ректор Ю.Макаренко pÐe р ре Заказ 4583(34 Тираж 641 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4
