Oblast techniky

Vynález se týká způsobu řízení velikosti a počtu pórů samonosných keramických těles vytvořených z oxidové keramiky zejména z oxidu hlinitého (A1₂O₃), oxidu titaničitého (TiO₂), oxidu zirkoničitého (ZrO₂), oxidu chromitého (Cr₂O₃), oxidu hořečnatého (MgO), oxidu ytritého (Y₂O₃), oxidu ceričitého (CeO₂), oxidu vápenatého (CaO), křemičitanu zirkoničitého (ZrO₂.SiO₂), křemičitanu vápenatého (CaO.SiO?) metodou plazmového nanášení.

Dosavadní stav techniky

Plazmovým nanášením vytvořené samonosné vrstvy nebo samonosná tělesa z těchto vrstev jako např. trubky, kelímky nebo desky jsou vždy pórovitá. Pórovitost je daná způsobem vzniku vrstvy a je možné ji ovlivnit v malé míře technologií plazmového nanášení. Vytvářet je možné samonosná tělesa dvou typů. Prvním typem jsou tělesa keramická, z jednoho nebo různých druhů oxidů. Většinou se jedná o oxidy jako např. A1₂O₃, ZrO₂, TiO₂, MgO, SiO₂, Cr₂O₃, CeO₂, CaO, Y₂O₃ příp. ZrO₂.SiO₂ nebo CaO.SiO₂. Druhým typem jsou samonosná tělesa kovokeramická obsahující oxidickou a kovovou složku. Obsah kovu v keramice může být až 50 %. Pórovitost samonosných těles má zásadní význam pro technické použití těles. Pro některé účely je pórovitost na závadu např. u trubek určených pro vedení různých plynů při vysokých teplotách. V jiných případech je naopak definovaná pórovitost žádoucí a potřebná, např. u filtrů. Způsobům řízení otevřené pórovitosti, resp. plynopropustnosti je věnován předložený vynález.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je způsob řízení velikosti a počtu pórů samonosných keramických těles vytvořených z oxidové keramiky zejména z oxidu hlinitého (A1₂O₃), oxidu titaničitého (TiO₂), oxidu zirkoničitého (ZrO₂), oxidu chromitého (Cr₂O₃), oxidu hořečnatého (MgO), oxidu ytritého (Y2O3), oxidu ceričitého (CeO₂), oxidu vápenatého (CaO), křemičitanu zirkoničitého (ZrO₂.SiO₂), křemičitanu vápenatého (CaO.SiO₂) metodou plazmového nanášení, který spočívá podle vynálezu vtom, že se v hotových samonosných tělesech póiy dodatečně zvětšují nebo zmenšují žíháním keramických samonosných těles na teplotu fázové změny nebo fázových změn keramiky. Z principu plazmového nanášení vyplývá, že nanášený materiál roztavený v proudu plazmatu velmi rychle ztuhne po dopadu na podložku. Rychlost tuhnutí se u částic o velikosti 0,04-0,09 mm pohybuje v rozmezí 10^-10“⁶ °C/sec. Velká rychlost tuhnutí částic způsobuje, že nanášený keramický materiál je v neobvyklé (nestandardní) fázové modifikaci. Tak např. AI₂O₃ s obsahem TiO₂ (do 40 %) je po průchodu plazmatem převážně ve fázové modifikaci gama, doprovázené v menší míře ještě dalšími fázemi. Hlavní fázovou modifikací čistého A1₂O₃ (99 %) je po průchodu plazmatem fázová modifikace delta, doprovázená opět dalšími fázemi. Doprovodné fáze jsou obsaženy v množství od stop do několika procent. Žíháním takto vytvořených samonosných těles (obsahujících AI₂O₃) na vhodnou teplotu dochází ke změnám fázových modifikací A1₂O₃. S rostoucí teplotou se postupně vytvářejí stabilnější fázové modifikace v pořadí theta, delta, gama, alfa. K těmto změnám dochází obvykle v rozmezí teplot 700-1350 °C. Fázové změny jsou obvykle doprovázeny změnou objemovou a tím i změnou otevřené pórovitosti. Kompaktnost samonosných těles vytvořených metodou plazmového nanášení se však při fázových změnách nemění, nedochází k praskání ani destrukci těles (na rozdíl od klasických keramických technologií). Podobné zvýšení otevřené pórovitosti (a plynopropustnosti) při žíhání jako u těles z A1₂O₃, je možné pozorovat i u samonosných těles vzniklých ze směsi ZrSiO₄ a A1₂O₃, nebo ze samotného ZrSiO₄. V případě těles vytvořených plazmovým nástřikem ze ZrSiO₄, jsou tělesa tvořena tetragonálním ZrO₂ a amorfním SiO₂.

-1 CZ 286735 B6

Nárůst pórovitosti při žíhání je pak způsoben fázovou transformací ZrO₂ tetragonální monoklinický a fázovými přeměnami SiO₂ (cristobalitu a křemene). Fázové změny SiO₂ pak posouvají změny pórovitosti směrem k nižším teplotám, které se projevují již od 550 °C.

Nárůst otevřené pórovitosti po žíhání se pohybuje od 0.2 do 2 %, přičemž plynopropustnost se zvyšuje 4-25x. Mechanické vlastnosti těles vytvořených metodou plazmového nanášení, se žíháním zlepšují, což dokumentuje nárůst hodnot Youngova modulu pružnosti.

Snížení pórovitosti samonosných keramických těles vytvořených metodou plazmového nanášení obsahujících oxidy typu A1₂O₃, TiO₂, ZrO₂, Cr₂O₃, MgO, Y₂O₃, CeO₂, CaO, ZrO₂.SiO₂, CaO.SiO₂, se dosáhne vypálením těchto těles na slinovací teplotu výhodně 1350 až 2200 °C. Slinovací teplota je závislá na obsahu jednotlivých oxidů a době zdržení na příslušné teplotě. Pro samonosná tělesa obsahující např. A1₂O₃- 93.5%, TiO₂—4.5 %, a Fe₂O₃-1.5% leží slinovací teplota v rozmezí 1450-1520 °C, pro tělesa z čistého A1₂O₃ (99%) je to 1730-1780 °C atd.

Příklady provedení vynálezu

V dalším popisuje vynález blíže objasněn na příkladech provedeni.

Příklad 1

Plazmovým nástřikem na předehřáté ocelové jádro byla vyrobena keramická trubka z umělého 25 korundu hnědého (4,5 % TiO₂, 1,4 % Fe₂O₃, zbytek A1₂O₃) o průměru 83 mm a délce 500 mm.

Pro výrobu trubky bylo využito rozdílné tepelné roztažnosti oceli a plazmové nanesené keramiky. Objemová hmotnost keramické trubky byla 3,418 g/cm³ a otevřená pórovitost 3,92 %. Plynopropustnost měřená pomocí vzduchu při přetlaku 100 kPa byla 2,18 cm³/min vztaženo na plochu 1 cm² při tloušťce lmm. Po kalcinaci (žíhání) na 1300 °C se objemová hmotnost zvýšila 30 na 3,572 g/cm³ a otevřená pórovitost na 4,45 %. Plynopropustnost vzrostla na 9,62 cm³/min.

Younguv modul pružnosti v nastříkaném stavu byl 121 GPa, po kalcinaci na 1300 °C pak Younguv modul pružnosti vzrostl na 352 GPa.

Příklad 2

Na ocelové jádro o průměru 82 mm opatřené zinkovou mezivrstvou o síle 0,5 mm byla plazmovým nástřikem vytvořena vrstva z umělého korundu bílého (99 % A1₂O₃) tloušťky 2,3 mm a délky 400 mm. Mezivrstva Zn byla následně odstraněna rozpuštěním Zn v HC1. Po odstranění 40 zinkové mezivrstvy byla z ocelového jádra sejmuta keramická trubka o vnitřním průměru 83 mm a délce 400 mm. Objemová hmotnost trubky byla 3,34 g/cm³ a otevřená pórovitost 6,01 %. Plynopropustnost při přetlaku lOOkPa byla 2,66 cm³/min vztaženo na plochu lem² při tloušťce 1 mm. Po kalcinaci na 1300 °C s výdrží 2 h byla objemová hmotnost této trubky 3,503 g/cm³, otevřená pórovitost 7,24% a plynopropustnost se zvětšila na 21,86 cm³/min. Younguv modul 45 pružnosti v nastříkaném stavu byl 177.5 GPa, po kalcinaci na 1300 °C pak 198.5 GPa.

Příklad 3

Keramická trubka vytvořená metodou plazmového nanášení ze zirkonu o granulometrii 0.040.08 mm měla vnitřní průměr 79 mm a délku 1500 mm. Objemová hmotnost materiálu trubky byla 3.74 g/cm³, otevřená pórovitost 5.73 % a plynopropustnost při přetlaku 100 kPa vztažená na plochu 1 cm² a tloušťku lmm pak 23.33 cm³/min. Po vyžíhání na 1240 °C s výdrží 2 h byla

-2CZ 286735 B6 objemová hmotnost 3.76 g/cm³, pórovitost 6.75 % a plynopropustnost 36.98 cm³/mín. Younguv modul pružnosti v nastříkaném stavu byl 44.3 GPa, po žíhání pak 105.9 GPa.

Příklad 4

Keramická trubka vytvořená metodou plazmového nanášení z umělého korundu hnědého č. 240 měla vnitřní průměr 79 mm a délku 1600 mm. Objemová hmotnost materiálu trubky byla 3.406 g/cm³, otevřená pórovitost 4.9 % a plynopropustnost při přetlaku lOOkPa vztažená na plochu 1 cm² a tloušťku lmm pak 2.18 cm³/min. Po žíhání na 1500 °C s výdrží 2 h se objemová hmotnost zvýšila na 3.605 g/cm³ a otevřená pórovitost poklesla na 0.47 %. Plynopropustnost byla naměřena nulová, a to i při přetlaku 600 kPa. Younguv modul pružnosti byl v nastříkaném stavu 121.8 GPa, po slinování pak 425 GPa.

Průmyslová využitelnost

Způsobu podle vynálezu lze využít v keramickém průmyslu, chemickém průmyslu, potravinářském průmyslu, strojírenství a energetice.