Керамическое изделие с ориентированными частицами и способ его получения - заявка 2016148404 на патент на изобретение в РФ

1. Способ изготовления продукта, необязательно спеченного, при этом указанный способ включает следующие стадии:
a) приготовление керамической массы, содержащей совокупность керамических частиц в суспензии в жидкой фазе, причем указанная совокупность керамических частиц составляет более 4% и менее 50% объема керамической массы и включает:
- первую фракцию частиц, состоящую из ориентированных частиц, предпочтительно анизотропных, имеющих медианную длину L'50 и составляющих более 1% керамических частиц в объемных процентах относительно совокупности керамических частиц; и
- вторую фракцию частиц, имеющих медианную длину D50 по меньшей мере в десять раз меньшую, чем L'50 и составляющих более 1% и предпочтительно менее 89% керамических частиц в объемных процентах относительно совокупности керамических частиц;
при этом первая и вторая фракции частиц вместе составляют более 80% совокупности керамических частиц в объемных процентах,
b) необязательно литье керамической массы в форму и/или удаление пузырьков воздуха, содержащихся в керамической массе,
c) охлаждение керамической массы, при котором происходит ориентация частиц, путем перемещения фронта затвердевания для формирования блока охлажденной керамической массы, при этом скорость фронта затвердевания Vp меньше, чем скорость капсулирования керамических частиц Vc, и приспособлена для того, чтобы образовывать кристаллы затвердевшей жидкой фазы, разделенные стенками со средней толщиной «е», большей или равной средней толщине ориентируемых керамических частиц W150,
d) необязательно извлечение указанного блока из формы,
e) удаление кристаллов затвердевшей жидкой фазы из указанного блока, необязательно извлеченного из формы, предпочтительно путем сублимации с получением макропористой заготовки,
f) необязательно удаление связующего вещества из макропористой заготовки, полученной в конце стадии е),
g) необязательно спекание макропористой заготовки с получением спеченного продукта,
h) необязательно механическая обработка и/или пропитывание указанного спеченного продукта,
при этом керамические частицы могут быть заменены частично или полностью эквивалентными количествами предшественников, которые превращаются в керамические частицы с получением предпочтительно перед стадией с) указанной совокупности керамических частиц и/или керамические частицы могут быть заменены частично или полностью эквивалентными количествами частиц такой же формы, как у керамического предшественника, который превращается в керамику на стадиях f) или g).
2. Способ по п. 1, в котором на стадии с) охлаждения, при котором происходит ориентация частиц, не включает зарождение кристаллов затвердевшей жидкой фазы линейно.
3. Способ по п. 2, в котором на стадии с) охлаждения, при котором происходит ориентация частиц, не включает последовательность операции зарождения кристаллов затвердевшей жидкой фазы на одной линии и операции эпитаксиального роста указанных кристаллов.
4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором на стадии с) керамическая масса статична.
5. Способ по любому из пп. 1-4, включающий стадию спекания g).
6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором вторая фракция частиц составляет более 3% керамических частиц в объемных процентах относительно совокупности керамических частиц.
7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором совокупность керамических частиц содержит более 80% ориентируемых керамических частиц в объемных процентах относительно совокупности керамических частиц.
8. Способ по п. 1, включающий стадию спекания g), при этом совокупность керамических частиц содержит менее 80% ориентируемых керамических частиц в объемных процентах.
9. Способ по п. 8, включающий стадию спекания g), при этом совокупность керамических частиц содержит менее 80% ориентируемых керамических частиц в объемных процентах, предпочтительно анизотропных, при этом фракция неориентируемых керамических частиц имеет медианную длину менее десятикратной медианной длины анизотропных керамических частиц.
10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором ориентируемые керамические частицы выполнены из материала с функцией, зависящей от ориентации частиц.
11. Способ по любому из пп. 1-10, в котором:
- первая фракция частиц составляет более 50% объема керамических частиц, и
- вторая фракция частиц составляет более 7% объема керамических частиц, и
- более 90 объемных процентов частиц второй фракции частиц являются неориентируемыми, и
- первая и вторая фракции частиц составляют вместе более 90% объема совокупности керамических частиц, и
- гранулометрическое распределение керамических частиц является бимодальным, при этом две главные моды соответствуют первой и второй фракциям частиц, соответственно,
при этом способ предпочтительно включает стадию спекания g).
12. Способ по любому из пп. 1-10, в котором
- первая фракция частиц составляет менее 50% и более 5% объема керамических частиц, и
- первая фракция частиц имеет средний фактор удлинения Rm, превышающий 10, и
- более 90 объемных процентов частиц второй фракции частиц являются неориентируемыми, и
- первая и вторая фракции частиц вместе составляют более 90% объема совокупности керамических частиц, и
- гранулометрическое распределение керамических частиц является бимодальным, при этом две главные моды соответствуют первой и второй фракциям частиц, соответственно,
при этом способ предпочтительно включает стадию спекания g).
13. Способ по любому из пп. 1-10, в котором
- первая фракция частиц составляет более 80% объема керамических частиц, и
- частицы первой фракции частиц выполнены из материала с функцией, зависящей от ориентации частиц, и
- вторая фракция частиц составляет менее 20% объема совокупности керамических частиц, и
- более 90 объемных процентов частиц второй фракции частиц являются неориентируемыми, и
- первая и вторая фракции частиц вместе составляют более 90% объема совокупности керамических частиц, и
- гранулометрическое распределение керамических частиц является бимодальным, при этом две главные моды соответствуют первой и второй фракциям частиц, соответственно,
при этом способ предпочтительно включает стадию спекания g).
14. Способ по любому из пп. 1-10, в котором
- первая фракция частиц составляет менее 50% и более 5% объема керамических частиц, и
- частицы первой фракции частиц выполнены из материала с функцией, зависящей от ориентации частиц, и
- более 90 объемных процентов частиц второй фракции частиц являются неориентируемыми, и
- первая и вторая фракции частиц вместе составляют более 95% объема совокупности керамических частиц, и
- гранулометрическое распределение керамических частиц является бимодальным, при этом две главные моды соответствуют первой и второй фракциям частиц, соответственно,
при этом способ включает стадию спекания g).
15. Способ по п. 14, в котором
- первая фракция частиц составляет менее 15% объема керамических частиц, и
- более 95 объемных процентов частиц второй фракции частиц являются неориентируемыми.
16. Способ по любому из пп. 1-15, в котором ориентируемые керамические частицы являются анизотропными частицами или многогранными частицами, имеющими более двух граней.
17. Способ по любому из пп. 1-16, в котором более 50% ориентируемых частиц в объемных процентах принадлежат к одному и тому же классу по форме.
18. Способ по любому из пп. 1-17, в котором материал, из которого состоят ориентируемые, или даже анизотропные керамические частицы, и/или керамические частицы второй фракции частиц, и/или частицы фракции, дополнительной к ориентируемым частицам или анизотропным частицам, выбран из оксидов, нитридов, карбидов, карбоксинитридов, графита, графена и их смесей.
19. Способ по п. 18, в котором указанный материал выбран из группы, включающей диоксид циркония или двуокись циркония (ZrO2), частично стабилизированный диоксид циркония, стабилизированный диоксид циркония, оксид иттрия (Y2O3), легированный оксид иттрия, предпочтительно оксид иттрия, легированный оксидом самария, диоксид титана (TiO2), алюмосиликаты, такие как муллит, кордиерит (Al3Mg2AlSi5O18), оксид алюминия или окись алюминия (Al2O3), гидратированные окиси алюминия, и, в частности, бемит, оксид магния (MgO), тальк (Mg3Si4O10(OH)2), оксид никеля (NiO), оксиды железа (FeO, Fe2O3, Fe3O4), оксид церия, легированный оксид церия, оксиды со структурой перовскита, в частности, галлаты, соединения, включающие лантан типа LaAlO3, или LaGaO3, или La(1-x)SrxMO3, где 0≤х≤1, и М является элементом, выбранным из группы, включающей хром, кобальт, магний, железо, гадолиний, марганец и их смеси; оксиды со структурой перовскита, легированные платиной, и/или палладием, и/или родием, и/или золотом, и/или серебром, например La(1-x)SrxM(1-y)M(1-у)M'yO3, где 0≤х≤1, 0≤у≤0,15, М является элементом, выбранным из группы, включающей хром, кобальт, магний, железо, гадолиний, марганец и их смеси, М' является элементом, выбранным из группы, включающей платину, палладий, родий, золото, серебро и их смеси, соединения, включающие титан типа La4Sr8Ti11Mn1-xGaxO38, где 0≤х≤1 и La4Sr8Ti12-nMnnO38, где 0≤n≤1, соединения типа BaTiO3, BaZrO3, (1-х)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-х[PbTiO3], где х находится между 0 и 1, Pb(Mg0,25Nb0,75)O3, Ba(Zn0,25Nb0,75)O3, Pb(Zn0,25Nb0,75)O3, PbTiO3, CaCu3Ti4O12, соединения со структурой типа BIMEVOX, например Bi2V1-xMexOz, где 0≤х≤1, z позволяет обеспечить электронейтральность, и Me является элементом, выбранным из группы, включающей магний, алюминий, кремний, титан, кобальт, никель, медь, цинк, марганец, сурьму, тантал, ниобий, хром, молибден, вольфрам, уран и их смеси, соединения со структурой типа LAMOX, например La2Mo2O9, соединения со структурой апатитов, например Me'10(XO4)6Y'2, где Me' является катионом металла, выбранным из группы, включающей Са2+, Cd2+, Sr2+, Ва2+, Pb2+, Na+, K+, катионы редкоземельных элементов, предпочтительно La3+ и Nd3+, Al3+, U4+, Th4+, (XO4) является анионной группой, выбранной из PO43-, SiO44-, AsO43-, MnO4-, SO42-, CO32-, HPO42-, SiO44-, GeO44- и их смесей, и Y' является анионом, выбранным из F-, Cl-, ОН-, Br-, I-, CO32-, О2- и их смесей, соединения типа SrCe1-xMxO3, где 0≤х≤1, и М является редкоземельным элементом, причем М предпочтительно является иттербием, соединения типа ВаСе1-xMxO3, где 0≤х≤1, и М является редкоземельным элементом, например, соединения BaCeO3, соединения группы LaxSr1-xScO3, где 0≤х≤1, например La0,9Sr0,1ScO3, цеолиты со структурой Nax1Cax2Mgx3Bax4Kx5Alx6(Six7Ox8),x9H2O, где х1-х9 являются целыми положительными числами или нулями, удовлетворяющими следующим условиям: х6 больше 0, х7 больше 0, х8 больше 0, х9 больше 0 и х1+х2+х3+х4+х5 больше 0, (Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3, KNbO3 необязательно легированный, предпочтительно литием, и/или танталом, и/или барием, NaNbO3, необязательно легированный, предпочтительно литием, и/или танталом, и/или барием, (K0,5Na0,5)NbO3 необязательно легированный, предпочтительно литием, и/или танталом, и/или барием, гематит, нитрид алюминия, нитрид бора, предпочтительно гексагональный нитрид бора, нитрид кремния, нитрид титана, карбид титана, карбид кремния, карбид вольфрама, карбид циркония, графит, графен, и их смеси.
20. Способ по любому из пп. 1-2 и 4-19, в котором на стадии с) условия охлаждения, при котором происходит ориентация частиц, приспособлены для формирования кристаллов затвердевшей жидкой фазы, имеющих в поперечной медианной плоскости ширину более чем в 5 раз, предпочтительно более чем в 10 раз, или даже более чем в 20 раз превышающую толщину кристалла затвердевшей жидкой фазы.
21. Способ по п. 20, в котором более 50% кристаллов затвердевшей жидкой фазы по существу параллельны друг другу.
22. Способ по любому из пп. 1-21, включающий стадию e'), предпочтительно после стадии е), состоящую из сжатия блока по направлению по существу параллельному направлению толщины кристаллов затвердевшей жидкой фазы с получением блока, имеющего относительную плотность более 85%.
23. Способ по п. 22, в котором стадию сжатия выполняют перед и/или вместе со стадией удаления связующего вещества f) и/или со стадией спекания g), предпочтительно при помощи спекания под давлением или при помощи плазменно-искрового спекания.
24. Продукт, необязательно спеченный, включающий множество макроскопических округленных цилиндрических пор, расположенных по существу параллельно друг другу в продольном направлении, при этом каждая округленная цилиндрическая пора ограничена стенкой, содержащей более 50% ориентируемых керамических зерен, при этом стенки между указанными округленными цилиндрическими порами содержат более 5% ориентируемых керамических зерен в объемных процентах и имеют открытую пористость менее 50%.
25. Продукт по п. 24, включающий более 70% ориентируемых керамических зерен.
26. Продукт по п. 24 или п. 25, в котором стенки имеют открытую пористость менее 30%.
27. Продукт по любому из пп. 24-26, в котором стенки содержат периферический пласт, состоящий из одного или нескольких слоев ориентируемых керамических зерен.
28. Продукт по любому из пп. 24-27, в котором дисперсия ориентации границ зерен составляет менее 30°.
29. Продукт по п. 28, в котором дисперсия ориентации границ зерен составляет менее 15°.
30. Продукт по любому из пп. 24-29, изготовленный способом по любому из пп. 1-18.
31. Продукт по любому из пп. 24-30, в котором округлые цилиндрические поры, при рассмотрении их поперечного сечения, имеют уплощенную часть, и более 80% от числа зерен части стенки, расположенной между двумя соседними уплощенными порами, уложены плашмя друг на друга.
32. Плотный продукт, необязательно спеченный, имеющий относительную плотность более 85%, содержащий более 50% ориентируемых керамических зерен, при этом более 80% ориентируемых керамических зерен по существу параллельны друг другу.
33. Плотный продукт по п. 32, полученный способом по любому из пп. 1-23.
34. Плотный продукт по п. 32, имеющий толщину более 50 мкм.
35. Устройство, выбранное из керамического электрохимического элемента, топливного элемента, в частности, твердооксидного топливного элемента, среднетемпературного твердооксидного топливного элемента, протонного керамического топливного элемента, элемента фильтрации жидкого или газообразного потока, микроструктуры хранения, используемой для хранения вещества в макропорах, носителя катализатора, теплообменника, теплового изолятора, распределителя потока, позволяющего перемещать указанный поток, и в частности распределителя газа, каплеотделителя или блока для орошения для системы кондиционирования воздуха, батареи и в частности электролита батареи, суперконденсатора, поглотителя влаги, микрокамеры сгорания, преобразователя, датчика движения, ультразвукового зонда, подложки для обжига, муфеля для спекания, при этом указанное устройство содержит продукт по любому из пп. 24-32 и 34.
Наверх