HU203861B

HU203861B - Stiff ceramic foam and process for producing foamic ceramic product

Info

Publication number: HU203861B
Application number: HU874113A
Authority: HU
Inventors: Eugene Sangomo Park; Steven Douglas Poste
Original assignee: Alcan Int Ltd; Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-16
Publication date: 1991-10-28
Also published as: FI874027A; DE3779028D1; JPS63129081A; CS8706616A2; KR880003877A; FI90059B; IL83853A; PL267778A1; FI874027A0; NO175303C; GR3005438T3; CN87106360A; DK481987D0; DK481987A; ES2032857T3; IL83853A0; FI90059C; EP0261070B1; PT85713B; AU7837687A

Description

A találmány tárgya merev kerámia hab és eljárás habos kerámia termékek előállítására. A találmány szerinti merev kerámia hab egymással összekötött térelemekből álló üreges hálószerű testtel van kialakítva, ahol a térelemek egymással véletlenszerűen három dimenziós szerkezetben összekötött és nyitott cellás struktúrát alkotó szivacsszerű szerkezetet hozunk létre, ahol a szivacsszerű szerkezetben véletlenszerűen három dimenzióban egymással kapcsolódó csatornák vannak

A nyitott cellás kerámia habok olyan kereskedelmi terméket jelentenek, amelyeket az ipar számos területén alkalmaznak. Ismeretesek az olvasztott fémek öntésénél alkalmazott kerámia szűrők, a diezel motorok kipufogó gázaiban megjelenő részecskéket befogó csapdák, a kipufogó rendszerekben elhelyezett katalitikus koverterek, hőcserélők, fűtőelemek, hő és elektromos szigetelések, amelyek kerámia anyagból készülnek. Ezeket a megemelt hőmérsékletekkel szembeni kiváló ellenállás, a vegyi hatásokkal terhelt környezetben is a hosszú élettartam jellemzi, és ezeket az előnyeiket fokozzák a habosított szerkezetek olyan jellemzői, mint a nagy fajlagos felület, a finom porozitás, a szilárdság/súly arány kiváló értéke. Mindezek a tényezők vezetnek oda, hogy a kerámia anyagú habokat a járműipar, a repülőgépipar előszeretettel használja.

A szivacsszerű, tehát habosított szerkezetű kerámia testek előállításának hagyományos eljárásai során a nyersanyagokat őrlik, válogatják, ülepítik, szinterelik, megmunkálják stb. A megmunkálásnak mindezek a lépései inhomobenitások és szennyezések forrásai lehetnek, aminek következménye a végtermék minőségének leromlása. A hagyományos gyártási eljárásokkal gyakorlatilag nem elérhető követelmény az, hogy a kerámia testek a belső kialakítást is tekintve a kívánthoz közeli alakra legyenek hozhatók

A 3 947 363 Ijsz. US szabadalmi leírás olyan nyitott cellás kerámia habot ismertet, amely hidrofill anyagú nyitott cellás szerves habból készíthető, amelyben az egymással kapcsolatban álló belső üregeket a szerves hab hálószerűén fonja körül. Ezt a szerves habot kerámia alapanyag vizes szuszpenziójával itatják át, ami a hálószerű szerkezet felületeit bevonja és végülis az üres területeket is a szuszpenzió tölti ki. Ezt követően a szuszpenzióval impregnált anyagot összenyomják, ezzel a szuszpenzióval impregnált anyagot összenyomják, ezzel a szuszpenzió 20... 75%-át eltávolítják, majd a nyomást megszűntetik és ezzel lényegében csak a szuszpenzióval bevont habot állítják elő. A hálószerű képződményt kiszárítják, anyagát felhevítik, amivel először a szerves hab rugalmas anyagát kiégetik, majd a kerámia bevonatot szinterelik A folyamat eredményeként olyan szilárd kerámia hab nyerhető, amelyben a kerámia összekötött vagy megolvadt anyaga veszi körül az üres terek hálózatát és alakjában követi a kiindulási szerves hab anyagát. A szerves anyagból fentiekben bemutatott módon kerámia habot előállító eljárással számos nehézség kapcsolódik mégpedig amiatt, hogy a szuszpenzió a szerves hab összenyomása után nem egyenletesen oszlik meg, ami a végter2 mék egyenetlen minőségéhez is vezet.

A 4 076 888 ljsz. USA szabadalmi leírás a fentiekben ismertetett eljárást fejleszti tovább oly módon, hogy habosított szerkezetben létrehozott poliuretán alapú szivacsszerkezetre elektromosan vezető filmrétegben fémet, fémből és kerámia alapanyagból vagy kerámia alapanyagból álló bevonatot visznek fel, például nikkel vagy réz árammentes lecsapatásával. A leírás szerint az elektromosan vezető vékonyréteg fölé galvánbevonat kerül, ezt fém/kerámia keverékkel vagy kerámia alapanyaggal 10.000 ... 15.000 ’C hőmérsékletű argonplazmában vitt olvasztott anyaggal bevonják. A tapasztalat szerint ezzel az eljárással belülről fémes és kifelé egyre inkább kerámia jellegű üreges, sokrétegű hálószerű szerkezet hozható létre. Az eljárásnak azonban hiányossága, hogy a szivacsszerű szerkezetet legfeljebb 12 mm vastagságú elemekből lehet létrehozni, ha a beszórás egy oldalról történik, míg kétoldali plazmás beszórás esetén a szivacsszerű szerkezet vastagsága nem lépheti túl a 25 mm-t.

A 60-as években dolgozták ki azt az eljárást, amely mint a 3 255 027 ljsz., a 3 473 938 és a 3 473 987 ljsz. USA szabadalmi leírásokból ismerhető meg, és amelynek lényege, hogy kiégetéssel oxigéntartalmú atmoszférában vékonyfalú alumínium-trioxidos struktúrákat hoznak létre. Ezt vékony alumínium elemekből, mint dobozok, csövek, edények, lyukasztott lemezek, stb. hozzák létre. Kiindulásként bonyolult alakzatú lemezek is használhatók, de az alumíniumot minden esetben alkálifém, alkáliföldfém, vanádium, króm, molibdén, volfrám,, réz, ezüst, cink, antimón vagy bizmut oxid javai, illetve ezek bármelyikét adni képes elővegyülettel, továbbá szükség· szerint szemcsézett tűzálló töltőanyaggal vonják be. Lyukacsos lemezek esetében az eljárás kettősfalú elemeket eredményez, amelynek középpontjában lemezszerű üres tér van, és ezt az okozza, hogy a fémoxidban kialakult repedéseken át a megolvadt alumínium a fém felületére vándorol át. A 3 473 938 ljsz. USA szabadalmi leírásban ismertetett eljárás szerint ez a struktúra gyenge, és elkerülésére vanádium vegyületet, valamint szilikátos folyasztószert ajánlanak. Ugyancsak javasolták a struktúrának alumíniumporral történő bevonását kiégetés előtt (1. a 3 473 987 ljsz. USA szabadalmi leírást), mivel ezzel a módszerrel a kettősfalú szerkezet viszonylag vastag falakkal hozható létre. Az említett szabadalmi bejelentések megalkotása során csak az alumíniumot vizsgálták ebben a vonatkozásban.

A 3 255 027 ljsz. USA szabadalmi leírás szerint a lyukacsos szerkezet egymással összekötött falai zárt cellákat vagy csatornákat alkotnak, amelyek a falak teljes hossza mentén húzódnakA csatornák általában egy közös tengellyel párhuzamosak, és ez a struktúra több alkalmazás szempontjából kedvezőtlenebb, mint anyitott cellás, ahol a sejtszerkezet három dimenziósnak tekinthető. A vizsgálatok szerint, amint ezt a 4 540 535 ljsz. USA szabadalmi leírás ismerteti, az így készített kerámia anyagú szűrők viszonylag kis hatékonyságúak, míg a katalitikus elemek, amilyeneket a 3 972 834ljsz. USA szabadalmi leírás ismertet, viszony-21

HU 203 861 Β lag kis felület mellett nagyon kis turbulenciát biztosítanak.

A találmány feladata az eddigieknél egyszerűbben előállítható merev kerámia hab kidolgozása és olyan eljárás megalkotása, amellyel az eddigi közbenső lépések, szerves anyag használata nélkül lehet nagy szilárdságú kerámia habot előállítani.

A találmány alapja az a felismerés, hogy megolvadt fém alapanyag irányított oxidációja segítségével lehetséges kívánt alakú kerámia termékek előállítása. A felismerés szerint az oxidálószer felületén létrejövő oxidációs reakciótennék adott feltételek között képes oly módon növekedni, hogy a rajta megolvasztott fém áthalad, majd a már kialakult oxidációs reakciótermék felületén az oxidálószerrel reakcióba lép. Ezzel az oxidációs reakciótermék rétege folyamatosan vastagszik. Az eljárás gyorsítható, ha olyan kiegészítő anyagokat alkalmazunk, amelyek dópoló anyagként viselkednek és a fém alapanyag növekedési folyamatát elősegítik. A dópoló anyag felvihető a fém alapanyag felületére is. A felismerésünk alapján kidolgozott eljárásban az oxidációt a lehető legszélesebb értelemben használjuk, ez egy vagy több elektron leadására alkalmas fémet vagy az elektronok megoszlására hajlamos fémet jelöl. A fémeken kívül más elemek és vegyületek is szóba jöhetnek. így az oxídálószer fogalmán az elektronbefogadására vagy megosztására hajlamos vegyületeket, anyagokat kell érteni.

A felismerés szerint az említett eljárással a kerámia tennék tőltőágyban is növeszthető, ahol a töltőanyag a megolvasztott fém alapanyag közelében helyezkedik el. A megolvasztott fém reakcióba lép a gáz halmazállapotú oxidálószerrel, például az oxigénnel, amely képes a töltőanyag ágyán áthatolni. A létrejövő reakciótermék, tehát adott esetben alumínium-trioxid a töltőanyag ágyán átnő, annak részecskéit befogadja, ahogy a megolvasztott fém alapanyag folyamatosan halad olvasztott tömegéből az oxidációs reakciótermék felületére. A töltőanyag részecskéi a kerámia anyag polikristályos szerkezetébe ágyazódnak bele és általában a bárom dimenzióban egymáshoz csatlakozó oxidációs reakciótermékek közé kerülnek

Ugyancsak felismertük, hogy összetett szerkezetű kerámia testek, például a csövek alakíthatók ki úgy, hogy a fém alapanyagot öntvényként vagy megfelelő felületi alakzatként hozzuk létre, azt áteresztő szerkezetű töltőanyag ágyába helyezzük és ezt követően hevíteni kezdjük. Ha például alumínium rudat a töltőanyagba beágyazunk, vagyis alumínium-trioxid vagy szÜícium-karbid oxidálószert áteresztő rétegébe helyezzük, a fém megolvad, reakcióba lép az oxidálószerrel, például oxigénnel, amely átjárja a töltőanyagnak a fém alapanyaggal szomszédos rétegeit. Az ennek eredményeként létrejövő oxidációs reakciótennék, vagyis az alumínium-trioxid a töltőanyagba átnő, annak részecskéit magába foglalja, annak mértékében, ahogy a fém alapanyag olvasztott tömegét elhagyja és az oxidációs reakciótermék rétegébe átmegy. Amikor a megolvadt fémet annak eredeti térfogatából teljes mennyiségben eltávolítottuk, ott olyan üreg marad, amely az eredeti kialakítást tükrözi, az üreget a létrejövő kerámia test veszi körül.

Felismerésünk szerint ez az adott esetben igen bonyolult alakzatú kerámia termékek előállítására is alkalmas eljárás önmagában még nem használható merev szerkezetű kerámia habok létrehozására. Ehhez előzetesen fémből kell vázat létrehozni.

A kerámia habok fizikai struktúrája igen jellegzetes, ami miatt jellemzőik, tulajdonságaik nagyon kedvezőek lehetnek. A nyitott cellák és csatornák egymással három dimenzióban kapcsolódnak, nagy fajlagos felületet és a tömeghez képest nagy szilárdságot biztosítanak. A három dimenziós cellás szerkezet révén a folyadék áramlása az ilyen habokon keresztül turbulens, amire számos alkalmazásban szükség van. A találmány éppen ezeknek a szükségleteknek az eddigieknél jobb kielégítésére nyújt lehetőséget.

A kitűzött feladat megoldására merev kerámia habot, illetve eljárást annak előállítására dolgoztunk ki. A találmány szerint a merev kerámia habot, amely egymással összekötött térelemekből álló üreges hálószerű testtel van kialakítva, ahol a térelemek egymással véletlenszerűen három dimenzióban kapcsolódnak, és a térelemek felületei egymással véletlenszerűen kapcsolódó nyitott csatornák hálózatát határozzák meg, az jellemzi, hogy az üreges hálószerű test polikristályos kerámia anyagból, célszerűen alumínium fém alapanyaqgból levegő vagy oxigén tartalmú gáz jelenlétében előállított alumínium-trioxid alapú szerkezetként in situ létrehozott térelemekből van összetéve, ahol a kerámia anyag fém alapanyag oxidációs reakciótermékét tartalmazza és benne szükség szerint egy vagy több fémes összetevő van. Az alumínium oxidálását célszerű lehet nitrogéntartalmú gázzal elvégezni és így a térelemeket alumínium-nitrid részecskékkel előállítani.

A találmány szerinti kerámia hab tulajdonságait tekintve célszerű, ha a térelemek belső terében fémes mag mellett üres tér van, de adott alkalmazásokban a fémes magra nincs szükség. A vegyes szerkezet, amikor a térelemek egy részében a belső térben fém van, míg más része fémtől mentes, ugyancsak előnyös.

A találmány szerinti kerámia hab létrehozható töltőanyaggal is, amely a szerkezet szilárdítását biztosítja. A töltőanyag általában szilícium-karóid, szilícium-nitrid, alumínium-nitrid vagy alumínium-trioxid, illetve ezek tetszőleges arányú keveréke.

Ugyancsak a találmány elé kitűzött feladat megoldására dolgoztunk ki habos kerámia termék előállítását szolgáló eljárást, amikoris fém alapanyagból egymással véletlenszerű módon három dimenziós szerkezetben összekötött és nyitott cellás struktúrát alkotó szivacsszerű szerkezetet hozunk létre, ahol a szivacsszerű szerkezetben véletlenszerűen három dimenzióban egymással kapcsolódó csatornák vannak és a találmány szerint a fém alapanyag olvadáspontja alatti hőmérsékletre melegítjük, ezzel felületén a nyitott cellás struktúra integritását a fém olvadáspontja fölé való hevítés mellett is biztosító bevonatot alakítunk ki, az előmelegített szivacsszerű szerkezetet fém anyagá3

HU 203 861 Β nak olvadáspontja feletti hőmérsékletre hevítjük, a megolvasztott fémet oxidálószerrel érintkeztetjük, az oxidációs reakció során a megolvadt fémet azoxidálószerrel kapcsolatban tartjuk a bevonaton belül és szükség szerint a bevonat alatt, és ezzel nyitott szerkezetű kerámia habot hozunk létre, amely a fém alapanyag nyitott cellás hálószerű struktúráját mutatja, majd az elkészült kerámia testet lehűtjük és kinyerjük.

A találmány szerinti eljárás egy előnyös foganatosításában a szivacsszerű szerkezetet megtartó bevonatot a fém alapanyagnak célszerűen alumíniumnak oxidáló gáz jelenlétében a fém olvadáspontja alatti hőmérsékletre való melegítésével és a megemelt hőmérsékletnek a kívánt vastagságú bevonat létrehozásához szükséges időtartamon át való fenntartásával biztosítjuk és a bevonatot célszerűen oxigéntartalmú gáz, különösen levegő bevezetésével oxidként hozzuk létre.

Ugyancsak célszerű foganatosítási mód, ha a bevonatot úgy készítjük el, hogy a fém alapanyag olvadáspontja alatt az oxidálószerrel reakcióba lépő anyagot rakunk el felületére. A találmány szerinti eljárás foganatosítását elősegítik a különböző dópolóanyagok, míg a bevonat készítéséhez alkalmazhatók a különböző szuszpenziók, amelyek alumínium, szilícium és bór nagy finomságú szemcsézet vegyületeiből vannak kialakítva.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása során a hevítési hőmérsékletet célszerűen annyi ideig tartjuk fenn, hogy a fém alapanyag egy része az oxidációs reakcióban ne vehessen részt. Az alkalmazott oxidálószer általában levegő vagy nitrogéntartalmú gáz, célszerűen tiszta, vagy kis mennyiségű egyéb gázt tartalmazó nitrogén.

A találmány szerinti eljárás egy további előnyös foganatosítási módjában az oxidálás feltételei között lényegében semlegesen viselkedő töltőanyagnak az oxidálószert áteresztő rétegével vonunk le térelemeket. Az oxidációs reakció folyamán a végeredményben keletkező oxidációs reakciótennék, például alumíniumtrioxid nyitott cellás, hálószerű kerámia struktúrát alkot, amelyben szükség szerint fémes összetevők is vannak. Az oxidációs reakciótermék a töltőanyag rétegébe átnő annak mértékében, ahogy a frissen keletkező oxidációs reakcióterméken az olvasztott fém átáramlik. íly módon olyan kerámia mátrix alakul ki, amelynek összetett szerkezetében a töltőanyag részecskéi is részt vesznek A mátrix három dimenzióban egymással kapcsolatba kerülő részegységekből áll, amelyben azonban jelen lehetnek a fém alapanyag oxidációból kimaradt részecskéi és/vagy pórusok. Az oxidációs reakciótermék azonban három dimenzióban összekapcsolódó szerkezetet alkot, amelyben a fémes összetevők, a pórusok nem feltétlenül alkotnak összefüggő szerkezetet.

A találmány szerinti merev kerámia hab a kiindulási szivacsszerű szerkezetet viszonylag hűen követi felépítésében és anyagának elrendezésében. Ezzel közel tökéletes hálószerű szerkezet állítható elő a kívánt sűrűséggel, összetétellel és jellemzőkkel. Az eljárás ma4 ga kevés lépésből áll, segítségével nagy tisztaságú, az eddigi eljárások hibáitól mentes módon előállítható termék nyerhető.

A térelemek belső terében maradó fémes részecskék alkalmasak az elektromos és hővezetési tulajdonságok megfelelő beállítására, vagyis a szerkezetből hőcserélő, melegítő elemek is létrehozhatók A fém feladata lehet a szilárdság vagy a merevség biztosítása is.

A leírás további részében és az igénypontokban alkalmazott kifejezések értelme a következő:

A „kerámia test” vagy .kerámia anyag” fogalma a jelen találmány értelmezésében egyáltalában nem korlátozható a klasszikus értelemben vett kerámia anyagokra, amelyek lényegében teljes térfogatukban nemfémes és más szervetlen összetevőkből állnak. A találmány szerint előállított és alkalmazott kerámia anyag, illetve test olyan szerkezetű,, hogy legfontosabb, domináns jellemzőit, és/vagy összetételét tekintve lényegében a kerámia testre emlékeztet, de kisebb vagy akár nagyobb mennyiségekben tartalmazhat egy vagy több fémes összetevőt, valamint összekötött járatokat alkotó vagy elszigetelt porozitást, amely a fém alapanyag, oxidálószer vagy dópoló anyag jelenlétének következtében alakul ki és a térfogatban részaránya 1... 40 tf%, de lehet nagyobb is.

A „hab” olyan, a fém alapanyagból készült vagy más anyagú termék, amelynek önhordó szerkezete sejtes, vázas vagy hálós felépítettséget mutat.

Az „oxidációs reakciótermék” fogakba a találmány értelmében egy vagy több oxidált állapotú fémet jelöl, ahol a fémet más elemnek vagy vegyületnek, illetve azok valamilyen kombinációjának elektront leadó vagy azzal elektront megosztó összetevőnek tekintjük. Ennek megfelelően a definíciónak megfelelő oxidációs reakciótermék egy vagy több fém és valamilyen, a leírásban kifejtett feltételeket teljesítő oxidáló hatású anyag között kialakult reakció eredménye.

Az „oxidálószer” fogalma elektron befogadására, illetve elektron megosztás útján történő befogására alkalmas egy vagy több összetevőt takar, amely a reakció feltételei között lehet szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú (ez utóbbi esetben gőz alaki is lehet), de ezek keveréke (így folyadék és gáz keveréke) szintén használható.

A „fém alapanyag” olyan viszonylag tiszta fémes tulajdonságú anyag, amely kereskedelmi forgalomban beszerezhető fémes összetevőket tartalmaz a szokásos szennyezésekkel, adott esetben ötvözőanyagokkal, ötvöző vegyületekkel és intermetallikus vegyületekkel. Ha a leírás egy meghatározott fémet említ, akkor a találmány a fenti tisztasági feltételeknek megfelelő fémre vonatkozik, hacsak a leírás ezzel kapcsolatban más feltételeket nem említ.

A találmány szerinti kerámia habot, illetve az annak előállítására szolgáló eljárást a továbbiakban példakénti kiviteli alakok, illetve foganatosítási módokra való hivatkozással, a csatolt rajzra való hivatkozással ismertetjük részletesen. A rajzon az

1. ábra kiindulási fémből készült habszerű alaptest oldalnézete részben keresztmetszettel,

HU 203 861 Β amelyben három dimenzióban térbelileg összekötött térelemek és nyitott cellák láthatók, részbeni bevonattal a térelemeken a szükséges szilárdság biztosítására, a

2. ábra a találmány szerinti eljárással előállított kerámia hab szerkezetének egy részlete, a

2A. ábra az 1. ábrán bemutatott termék üres kerámia csövecskéjének keresztmetszete, míg a

2B. ábra a találmány szerinti kerámia hab egy csőszerű részének keresztmetszete fém maggalA találmány szerinti eljárás foganatosítása során nyitott cellás fém alaptestből indulunk, amely sejtszerű szerkezetű, vagyis habos, szivacsra emlékeztető szerkezetet alkot. A szerkezet bonyolult volta, a belső felületekhez való rossz hozzáférés és a támasztó szerkezet finomsága miatt különleges feltételeket kell teremteni, hogy ezt a nyitott cellás fém testet nyitott cellás kerámia testté alakítsuk át a kerámia anyag megfelelő növesztésével. A találmány értelmében a nyitott cellás fém alaptest olyan mintaként szolgál, amelyből azonos felépítésű kerámia hab hozható létre. Tekintettel a kiindulási fém alaptest bonyolult struktúrájára, a hevítés főtételeire és az előállítási folyamatban a fém elmozdulására, várhatóak a jelentős változások. Mégis a találmány szerinti eljárással sikerül az eredeti nyitott cellás struktúra integritását és konfigurációját megőrizni. A jelen találmány ezt az előnyös jellemzőt olyan eljárással biztosítja, amelyben nincs szükség, az elkészült kerámia tennék további kezelésére.

A fémből álló szivacsszerű szerkezet külső méretei és konfigurációja a kerámia végtermékben lényegében megjelenik, mivel a fémből álló térelemek keresztmetszeti méretei kicsik, vagyis az oxidációs reakciótermék növekedése a test méreteit lényegében nem befolyásolja.

A kiindulási fém alapanyagot először úgy kezeljük, hogy ebből a fémes térelemeken megtámasztásra alkalmas bevonat alakuljon ki, mégpedig olyan bevonat, amely önmagában képes a nyitott cellás struktúra egészét megőrizni. Ez a megtámasztó jellegű bevonat vagy lehetővé teszi a gáz halmazállapotú oxidálószer árampotú oxidálószerrel van kiegészítve, anyagában lehetővé teszi az oxidációs reakciótermék növekedését, rajta való átnövését. A támasztó tulajdonságú bevonat előállítása céljából a fém alapanyagot olvadáspontja alatti hőmérsékleten melegítjük és ilyen feltételek között a szükséges műveleteket végrehajtjuk. A találmány szerinti eljárás egyik lehetősége az, hogy a bevonatot a fém alapanyag oxidálásával hozzuk létre, az oxidáció feltételeit pedig addig tartjuk fenn, amíg a kívánt vastagságú réteg ki nem alakul. Ennél a változatnál célszerű a fém alapanyagot viszonylag alacsony hőmérsékleten az oxidálószerrel reakcióba hozni és ezt a hőmérsékletet is viszonylag kis sebesség mellett elérni. Természetesen a viszonylag gyors felmelegítés is alkalmazható. Számos esetben elegendő, ha csak ezt a melegítést alkalmazzuk a bevonat létrehozására. így például a tapasztalat szerint az 1. példában említett eljárással 6101 jelű alumínium ötvözetet levegőben 2 órán keresztül 600 ‘C hőmérsékleten tartva elegendően vastag bevonat alakul az alumínium felületén ahhoz, hogy a szerkezet önmagát megtartsa. Ugyancsak alkalmasnak bizonyult a viszonylag nagy tisztaságú alumínium nitrogénatmoszférában történő melegítése 650 °C hőmérsékleten, amikoris néhány óra alatt vékony megtámasztó bevonat alakul ki alumínium-nitridből, mint ezt a 11. példa kapcsán ismertetni fogjuk. A bevonat vastagságát olyanra kell biztosítani, hogy az eredeti fémes habstruktúra integritását és konfigurációját képes legyen megtámasztani, fenntartani. Az ezt követő lépésben a fém alapanyagot olvadáspontja fölé hevítjük és ilyenkor fontos, hogy a bevonat megtartsa önmagát, a szerkezet ne omoljon össze. Az oxidációs reakció folyamatában annak reakcióterméke a kerámia hab kívánt vastagságának biztosítására növekszik, fejlődik.

A kiindulási fém habszerkezet kezelésének egy másik módszere az, hogy a fém olvadáspontja alatt reakcióba lépő vagy felbomló olyan anyagot vagy elővegyületet használunk, amelyből áteresztő tulajdonságú támasztó bevonat keletkezik. Ezt az anyagot a hevítés előtt visszük fel a fém felületére. Mint a 2-10. példák mutatják, megfelelő anyagok alkalmazása esetén a szerkezetet megtartani képes bevonat létrehozható úgy is, hogy a szerkezet hőmérsékletét lassan a fém alapanyag olvadáspontja fölötti értékre emeljük, és ilyenkor nincs szükség arra, hogy az olvadáspont alatti hőmérsékletet hosszabb ideig fenntartsuk. Alumíniumot mint fém alapanyagot használva a fémek sói és más vegyületei, ideértve a fémorganikus vegyületeket különösen jól használhatók. Ezeknek a vegyületeknek a példái az alkálifémek, az alkáliföldfémek, az átmeneti fémek vegyületei, az alumínium-trioxidból, igen finoman eloszlatott alumínium-nitridből, szilíciumnitridből vagy bór-karbidból álló szuszpenzió.

A fémekkel együtt a továbbiakban ismertetésre kerülő dópoló anyagokat is lehet használni, valamint sor kerülhet a kerámia test összetett szerkezetének létrehozására töltőanyag elhelyezésére a szivacsszerű szerkezet mellett. A kerámia mátrix összetételétől függően az alkalmas töltőanyagokat a különböző fémek, mint alumínium, bőr, hafnium, nióbium, tantál, tórium, titán, volfrám, vanádium és cirkónium karbidjaiból, szilícium, alumínium, bór, hafnium, nióbium, tantál, tórium, titán, urán, vanádium és cirkónium nitridjeiből, a króm, hafnium, molibdén, nióbium, tantál, titán, volfrám, vanádium és cirkónium boridjaiból valamint alumínium, berillium, cérium, króm, hafnium, vas, lantán, magnézium, nikkel, titán, kobalt, mangán, tórium, réz, urán, ittrium, cirkónium és szilícium oxidjaiból keverhetjük ki. Miután a kiindulási fém alapanyagot az oxidálószert átengedő, illetve az oxidációs feltételeket biztosító viszonylag szilárd bevonattal elláttuk, a fém alapanyagot olvadáspontját megha5

HU 203 861 Β ladó, de az adott reakcióban létrejövő oxidációs reakciótermék olvadáspontja alatt maradó hőmérsékletre hvítjük. Ha a fém alapanyag alumínium, amelyet célszerűen dópoló anyaggal egészítünk ki, a hőmérséklettartomány mintegy 690 és 1450 ’C között van, de legcélszerűbb a 900 ... 1350 ’C tartományba eső hőmérsékleteket választani. A bevonattal szomszédos fém az oxidálószerrel reakcióba lép, ahol az oxidálószer mint gáz a bevonaton keresztül jüt be, vagy szilárd és/vagy folyékony halmazállapotú oxidálószer alkalmazása esetén a bevonatban jelen van. A hevítés folyamatában az oxidációs reakciótermék akkor jön létre, amikor a megolvadt fém az oxidálószerrel kapcsolatba kerül és a megolvadt fém a frissen keletkezett oxidációs reakciótermék rétegén keresztül vándorol, eljut annak felületére, ahol oxidációs reakció révén biztosítja az oxidációs reakciótermék térfogatának és felületének növekedését. Ez annyit jelent, hogy a kiindulási fémként jelen levő teljes fémmennyiség helyzetét képes elhagyni, a bevonattal ellátott térelemek közötti térből lényegében teljesen el tud távozni. Ennek megfelelően a végtermék egymással véletlenszerűen kapcsolódó üreges kerámia térelemekből áll, amelyek belső méretei (átmérője) azonos a kiindulási fém alapanyag vonatkozó méreteivel. A kerámia csőszerű elemek vagy üreges térelemek olyan polikristályos anyagból tevődnek össze, amely lényegében az oxidációs reakciótermékre épül és esetleg több kevesebb fémes összetevőt és/vagy pórust tartalmaznak. Ha az eljárást addig folytatjuk, amíg a kiindulási fém teljes mennyisége lényegében résztvesz az oxidációs reakcióban, a kerámia szerkezetben a fém mennyisége minimálisra csökken, helyében nyílások (porozitás) maradnak.

A találmány szerinti eljárás feltételeinek, így különösen időtartamának, hőmérsékletének, kiindulási anyagainak és dópoló anyagainak szabályozásával a megolvadt fém alapanyagnak csak egy része is az oxidációs reakcióba vihető, amikor a térelemek közötti tartományaiban, csövecskékben több kevesebb szilárd halmazállapotú fémes alapanyag marad, mégpedig oxidálatlan állapotban.

A találmány szerinti merev kerámia hab alapja 1 szivacsszerű szerkezet (1. ábra), amelynek anyaga fém. Ez 2 térelemekből (erezetből) tevődik össze. A 2 térelemeknek legalább egy részét 4 bevonattal látjuk el és a 2 térelemek nyitott cellás, három dimenzióban elrendezett szerkezetet alkotnak, amelyben 3 nyitott cellák véletlenszerűen kapcsolódnak egymáshoz, közöttük a 3 térelemek biztosítják az összeköttetést. A 3 nyitott cellák sokszög alakzatra hasonlítanak, de lehetséges, hogy határfelületeik oválisak vagy gömbszerűek. A találmány szerinti eljárással előállított újszerű merev kerámia hab (2. ábra) egymással összekötött 5 üreges elemekből áll, amelyek között 3’ nyitott cellák vannak.

A 2. és 2A. ábrán bemutatott 5 üreges elemek 6 kerámia fala nagyjából gyűrűs keresztmetszetet határoz meg. Az 5 üreges elemek középpontjában 7 üres tér van, amely egyrészt a termék sűrűségének, másrészt fajlagos felületének meghatározásában játszik szere6 pet. A 28. ábra szerint az 5 üreges elemeknek 6 kerámia fala olyan 7 üres teret határoz meg* amelybe» 8 fém mag van és ezt az oxidációs reakciótermék keletkezésének megszakítása biztosítja. Általában 4 8 fám mag nem teljesen tölti ki az 5 üreges elem közötti belső teret, vagyis a 6 kerámia fal a 8 fém mag mellett 7 Üres teret is határol. ? > ^r

A találmány szerinti eljárás foganatosításáhankülönösen hasznosnak bizonyult a duocel ekteyczésű fém alapú hab, amelyet az Oaklandban bejegyzett (Kalifornia, USA) Energy Research and Generation he. cég állít elő. A gyártómű szerint ez a hab hálószerű szerkezetű, amelynek nyitott cellái dodekaéder alakúak és közöttük fém anyagú térelemek biztosítják a folyamatos kapcsolatot. A találmány szerinti eljárás foganatosítása szempontjából azonban i kiindulási fém forrása és alakja nem különösebben lényeges, a fontos, hogy szivacsszerű, nyitott cellás szerkezet alakuljon ki. Lehetőség nyílik arra is, hogy a szükséges fém babot megfelelő adalékanyaggal kiegészített fémolvadékból állítsuk elő. így például célszerűnek bizonyult az alumínium öntése sórészecskék köré vagy pedig fluidizált ágyba való kiöntése. A fém lehűlése után a,sót ebben az esetben vizes öblítéssel lehet eltávolítapi, vagy ha a fluidizált ágyat apró szénrészecskékbol készítjük, akkor ellenőrzött alacsony hőmérsékletű oxidációs reakció segíthet a szivacsszerkezet létrehozásában. Ha erre szükség van, a szivacsszerkezetbe olyan fémszálakat is be lehet építeni, amelyek a kívánatos sűrűséget, szilárdságot biztosítjuk,

A találmány szerinti eljárás foganatosítása szempontjából leginkább alumínium jön szóba. Ez jól hozzáférhető habosított formában is, mint például az említett duocel gyártmányként, és különösen jól alkalmazható azokban a folyamatokban, amikor a kerámia szerkezetet oxidációs reakciótermék növesztésével hozzuklétre.

A találmány szerinti eljárás foganatosítására azonban nem kizárólag az alumínium esetében van lehetőség. A kísérletek szerint a titán, az ón, a cirkónium és a hafnium is képes oxidációs reakciótermékét növesztő eljárásban résztvenni. Mindezek a fémek akkor alkalmasak a találmány szerinti eljárás kiindulási anyagaként, ha nyitott cellás habosított szerkezetben hozzáférhetők, illetve belőlük üyen szerkezetű kiindulási testek létrehozhatók. A találmány szerinti eljárás foganatosításakor lezajló folyamatban szilárd, folyékony vagy gőz, illetve gáz halmazállapotú oxidálószereket lehet használni. Célszerűen a megolvasztott fémet reaktív tulajdonságú légkörben, levegő vagy nitrogén jelenlétében olvasztjuk meg. Alumínium fém alapanyag alkalmazása esetén az ilyen környezetben létrejövő bevonat nem tömör, azon a gáz át tud hatolni.

A szilárd halmazállapotú oxidálószer alkalmazásának legkedvezőbb módja az, hogy elővegyületben diszpergáljuk és ezt az elővegyületet a szivacsszerkezet bevonására alkalmazott anyaggal visszük fel a felületre. A szilárd oxidálószer különösen hasznos lehet akkor, ha azt a viszonylag vékony kerámia mátrix létrehozá-61

HU 203 861 Β sara használjuk, vagy a szivacsszserű szerkezet megtámasztására alkalmas bevonat anyagába keverjük.

A reakció lefolytatásához a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószeren kívül alkalmas lehet a szilárd vagy folyékony halmazállapotú oxidálószer is. A különböző halmazállapotú oxidálószerek keverékben szintén használhatók. Nem teljes listája az oxidálószereknek a következő: oxigén, nitrogén, halogének, kén, foszfor, arzén, szén, bór, szelén, tellur, ezek vegyületei és keverékei, mint például a szilícium-dioxid (ez kiváló oxigénforrás), metán etán, propán, acetilén, etilén és propilén (mint szén forrásai), továbbá a keverékek, mint levegő, H2/H2O és CO/CO2 keverék, amelyek különösen alkalmasak a környezet oxigén aktivitásának csökkentésére. Ennek megfelelően a találmány szerinti eljárással előállított kerámia testben lehetséges, hogy egy vagy több oxid, nitrid, karbid, borid és oxinitrid van, mint oxidációs reakciótermék jelen. Alumínium mint fém alapanyag alkalmazása esetén tehát az oxidációs reakciótennék lehet az alumínium oxidja, nitride, karbid ja, boriája, míg szilícium esetében a borid, titánnál a nitrid, borid, stb. Általában megállapítható, hogy az oxidációs termékek a nitridek, boridok, karbidok, szilicidek és az oxidok. A folyamat molibdénből kiindulva molibdén-szilicid oxidációs reakciótermékkel is megvalósítható.

A találmány szerinti eljárás foganatosításakor általában gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószert használunk. Ez azonban nem jelenti, hogy adott esetben nem lehet célszerű folyékony vagy szilárd halma 7á11«potú oxidálószer alkalmazása. Ha a töltőanyagot átnövő kerámia szerkezet létrehozásához az oxidáló anyagot gáz vagy gőz szolgáltatja, a töltőanyagot olyan szerkezetűnek kell kialakítani, hogy ágya a gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószert átengedje, az lényegében akadálymentesen kerüljön az olvasztott fémmel kapcsolatba. A gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószer olyan gőzt vagy normál állapotban gáz alakú anyagot jelent, amely célszerűen atmoszférikus nyomáson oxidáló környezet létrehozására képes. így például a gáz halmazállapotú oxidálószerek közül mindenekelőtt az oxigén és az oxigéntartalmú gázok alkalmazása a legcélszerűbb (ideértve a levegőt), és ha a fém alapanyag alumínium, a kerámia terméket alumínium-oxidból kell előállítani, akkor nyilvánvaló gazdasági meggondolások miatt a levegő a legkedvezőbb oxidálószer. Ha az oxidálószert úgy azonosítjuk, hogy az egy megadott gázt vagy gőzt tartalmaz, esetleg ebből az anyagbál áll, ez annyit jelent, hogy a megadott gőz vagy gáz az oxidálószerben a kizárólagos vagy legalábbis nagyobb részt alkotó összetevő, és ez alkalmas az oxidációs reakció feltételei között a fém alapanyag oxidálására. így például a levegő nitrogéntartalmú gáznak minősül, hiszen nitrogén tartalma sokkal nagyobb, mint az oxigén mennyisége, mégis a levegőt oxigéntartalmú gáznak tartjuk, mivel a fém alapanyag axidálásának céljaira a levegő alkalmazása esetében a hatás mindenekelőtt az oxigén jelenlétének köszönhető. Ennek megfelelően a levegő az oxigéntartalmú gáz kategóriájába érik, a nitrogéntartalmú gázok között a jelen találmány értelmében oxidálószerként nem említhető meg. A nitrogéntartalmú gáz, mint oxidálószer példája lehet a 96 tf% nitrogént és 4 tf% hidrogént tartalmazó formájú gáz.

Szilárd oxidálószer alkalmazása esetén ezt általában a töltőanyag ágyában eloszlatjuk, vagy a fém alapanyag környezetében a töltőanyag adott részében kikeverten használjuk, amikoris szemcsés anyagként a töltőanyag részecskéivel keveredik, vagy a szemcsés anyag részecskéin létrehozott bevonatként van jelen. A szilárd oxidálószerek között vannak elemek, mint a bór vagy a szén, de találhatók redukálható vegyületek, mint a szilícium-dioxid vagy azok a boridok, amelyek termodinamikai stabilitása kisebb, mint a fém alapanyag és a borid reakciójával létrejövő terméké. így például szilícium-dioxidot szerves oxidálószerként alumíniumhoz alkalmazva a létrejövő oxidációs reakciótermék az alumínium-trioxid.

Bizonyt» feltételek között a szilárd oxidálószer jelenlétében lezajló oxidációs reakció olyan intenzív módon folyhat le, hegy az oxidációs reakciótermék a folyamat exoterm jellege miatt esetleg megolvad. Ez erőteljesen károsíthatja az előállított kerámia test szerkezeti homogenitását. Az exoterm reakciót elkerülhetjük vagy lelassíthatjuk, ha a töltőanyagba viszonylagosan semleges összetevőket keverünk, amelyeket a kis reakcióképesség jellemez. A semleges töltőanyagok példái között szerepebek azok, amelyek az adott oxidációs reakcióban reakciótennékkéni nyerhetők.

A folyékony oxidálószerek alkalmazása esetén a töltőanyag ágyának egészét vagy csak egy részét, mégpedig a megolvasztott fém alapanyag környezetében, impregnáljuk. Amikor folyékony oxidálószert említünk, olyan anyagot értünk ezen, amely az oxidációs reakció feltételei között folyékony halmazállapotú még akkor is, ha ezt a halmazállapotot szilárd halmazállapotból kibdulva a megemelt hőmérséklet hatásával biztosítjuk Ezért az oxidációs reakció hőmérsékletén megolvadó sók is folyékony oxidálószernek minősülnek A folyékony oxidálószemek lehet folyékony halmazállapotú elővegyülete is, például olyan anyag oldata, amelyet a töltőanyag egészének vagy egy részének impregnálására annak bemerítésével használunk, és amely az oxidációs reakció feltételei között megolvad vagy felbomlik és ezzel biztosítja a szükséges oxidáló összetevőt. A folyékony oxidálószerek példái között kell említeni a kis olvadáspontú üvegeket.

Ha töltőanyagot is alkalmazunk, az állhat egy vagy több anyagból, ezek keverékeiből és lehet olyan összetevője, amely a polikristályos szerkezetben nem diszpergálódik

A kerámia előállításának folyamatában igen hasznos lehet, ha a fém alapanyaggal együtt dópoló anyagokat használunk. Igaz, bizonyos fém alapanyagok különleges hőmérsékleti és oxidációs feltételek között a kerámia előállítását mmdenféle adalékok és módosítások nélkül is képesek lehetővé tenni. A dópoló anyagok azonban elősegítik a reakciókat. A szivacsszerkezet fém alapanyagának kialakításában a dópoló anyag

HU 203 861 Β lehet ötvöző összetevő, de ugyancsak hasznos megoldás, ha a dópoló anyagot a szerkezet bevonatát alkotó keverékbe visszük be. A dópoló anyag alkalmazása azonban nem feltétlenül szülséges. így például hálószerű szerkezetben kialakított alumínium testet nitro génatmoszférában hevítve a dópoló anyagra akkor van szükség, illetve bevitele akkor célszerű, ha a folyamat hőmérséklete 1200 °C körül van, de nincs szükség dópoló anyagra, ha 1700 ’C körüli hőmérsékletet használunk és kereskedelmi forgalomban kereskedelmi tisztaságú alumíniumot viszünk reakcióba.

Ha az oxidálószer levegő, alumínium fém alapanyag esetében a szivacsszerű szerkezethez különösen hasznos dópoló anyagnak bizonyult a fémes magnézium és cink. Ezek a dópoló anyagok együttese vagy bármilyen kombinációban egymással, illetve további dópoló anyagokkal, különösen szilíciummal együtt használhatók. Az alumíniumba ezeket a dópoló fémeket vagy alkalmas forrásukat ötvözetként vihetjük be és általában részarányuk az ötvözött anyag tömegéhez viszonyítva 0,1... 101%. A dópoló anyagok, vagy alkalmas forrásaik koncentrációja több tényezőtől függ, egyebek között a többi dópoló anyagtól és a folyamat hőmérsékletétől. A tapasztalat szerint az említett értéktartományba eső mennyiségű dópoló anyagok kedvezően befolyásolják a kerámia anyag növekedését, elősegítik a fém transzportját és jó hatással vannak a reakció eredményeként létrejövő tennék növekedésének morfológiájára.

Alumínium fém alapanyag mint olvasztott fém alapján végzett kerámia növesztési folyamat esetén más hatékony dópoló anyago kis vannak, mint a szilícium, germánium, ón és ólom, különösen ha magnéziummal és/vagy cinkkel kombináljuk őket. Az alumínium fém alapanyagba ezeket a dópoló anyagokat vagy megfelelő forrásukat olyan mennyiségben visszük be, hogy a végeredményben kapott ötvözetben részarányuk kb. 0,5 ... kb. 15 t%. A tapasztalat azt mutatja, hogy az ötvözetben a kerámia anyag növekedési kinetikáját és morfológiáját az 1... 101% közötti részarányok biztosítják a legjobban. Az ólom mint dópoló anyag általában 1000 °C körüli hőmérsékleten keverhető az alumínium alapú fém alapanyaghoz, mivel az alumíniumban rosszul oldódik. Oldhatóságát azonban javítani lehet más dópoló anyagokkal mint például ónnal, amelynek jelenlétében ezt és más ötvöző anyagokat alacsonyabb hőmérsékleteken is az alumíniuméhoz lehet keverni.

A feltételektől függően egy vagy több dópoló anyag is használható. Alumíniumot mint fém alapanyagot választva és oxidálószerként levegőt használva a leghasznosabbnak a magnéziumból és szilíciumból, illetve a magnéziumból, cinkből és szilíciumból álló kombinációk bizonyultak. Ilyen esetekben a magnézium ajánlott koncentrációja kb. 0,1... kb. 31%; a cinké kb. 1 ... kb. 6 t%, míg a szilíciumé kb. 1 ... kb. 10 t%. Ha alumínium-nitridet akarunk oxidációs termékként előállítani, a dópoló anyagok közé kell a kalciumot, báriumot, szilíciumot, magnéziumot és lítiumot sorolni.

Alumíniumot mint fém alapanyagot használva egy8 mással kombinációban vagy külön-külön az említetteken kívül használható a nátrium, lítium, kalcium, bór, foszfor és ittrium, amelyek jól egészítik ki a germánium, az ón, az ólom és a lítium hatását. A nátrium és lítium részaránya általában nagyon kicsi, 0,1... 0,2 ezrelék, és ezek a fémek bevihetők külön-külön vagy együtt, vagy más dópoló anyagokkal keverékben. A jó hatást kifejtő dópoló anyagok közé kell néhány ritkaföldfémet is sorolni, mint például a cériumot, a lantánt, a prazeodíniumot, a neodímiumot és a szamáriumot, amelyek igen hatékonyan egészítik ki más dópoló anyagok működését.

Ha a dópoló anyagot kívülről kívánjuk alkalmazni, akkor célszerűen olyan nyitott cellás fémszerkezet létrehozása, amely a dópoló anyagot sóként tartalmazó vizes oldatba meríthető. Ezt a 2. példa mutatja be. Ugyancsak hatásos megoldás, ha a dópoló anyagokat porrá őröljük, belőlük szerves hordozóanyaggal szuszpenziót képezünk és ezt a nyitott cellás szivacsszerű szerkezetbe öntjük, majd összerázzuk. Ezzel a szuszpenzió a felületeken eloszlatható. A kívülről alkalmazott dópoló szer mennyisége a tapasztalat szerint igen széles határok között választható meg. Ha szilíciumdioxidot használunk és ezt alumínium alapú fém alapanyaghoz választjuk oxidálószerként levegőt vagy oxigént használva, a fém alapanyag műiden grammjára elegendő 0,001 g szilíciumot használni, különösen, ha magnéziumot és/vagy cinket leadni képes forrást is a bevonathoz adunk. A vizsgálatok szerint alumínium fém alapanyag és oxigén vagy levegő oxidálószer választása mellett a szilícium mint dópoló anyag szerkezetnövesztő hatását jól egészíti ki az, ha kívülről a fém alapanyag minden grammjára vonatkozóan 0,005 g körüli vagy ennél több magnézium-oxidot adagolunk ami általában a magnézium-oxiddal bevont fémfelület minden cm²-ére 0,005 g-nál nagyobb fémtömeget jelent.

A találmány szerinti merev kerámia hab és eljárás alaposabb bemutatását a további példák szolgálják.

1. példa

A már említett Duocel márkanevű termékből, amelynek alapanyaga az adott esetben 6101 jelű alumínium-ötvözet volt, 5,1x5,1x2,5 cm nagyságú tömböt vágtunk ki, amelynek anyagában a gyártómű szerűit 0,3 ... 0,7 t! szilícium, 0,35 ... 0,8 t% magnézium, legfeljebb 0,5 t% vas és egyenként legfeljebb 0,1 t% réz, cink, bór, mangán és króm van. A gyártómű a habos fémszerkezetet úgy írja le, mint amely nyitott, kettős dekaéder alakú cellákból áll, és a cellákat egymással szilárd alumínium térelemek kötik össze. Centiméterenként négy pórus van az anyagban, az átlagos cellaátmérő 0,20 cm.

A fémből készült habosított szerkezetű tömböt először acetonban tisztítottuk, majd mintegy 2 percre 20%-os nátrium-kloríd-oldatba merítettük Ezt követően tűzálló edényben a tömböt wollasztonit ágyon rendeztük el.

A tűzálló edényt ezt követően kemencébe raktuk, ahol levegő jelenlétében 2 óra alatt 600 ’C-ra melegí-81

HU 203 861 Β tettük fel, majd ezen a hőmérsékleten ugyancsak 2 órán keresztül tartottuk. A későbbi megállapítások szerint ez a melegítési időtartam teljes mértékben elegendő ahhoz, hogy a szivacsszerű fémszerkezet felületén levegőt átengedő bevonat alakuljon ki, mégpedig olyan vastagságban, amely önmagában is elegendő a fémből álló szerkezet megtámasztására, ha belőle a fém eltűnik. A melegítési időtartam elteltével a kemence hőmérsékletét 2,3 óra alatt 1300 °C-ra emeltük és ezt a hőmérsékletet 15 órán keresztül tartottuk.

A hevítést követően a terméket a wollasztonitból álló ágyon a tűzálló edénnyel együtt eltávolítottuk a kemencéből és hagytuk szobahőmérsékletre lehűlni. A megtekintést azt bizonyította, hogy a kapott termék ugyanazzal a nyitott cellás struktúrával rendelkezett, mint a kiindulási Duocel termék, de anyaga merev, szürke színű és durva tapintású volt. A méretekben nem tapasztaltunk változást, ami arra utalt, hogy a nyitott cellás struktúrát az eredeti szivacsszerű szerkezetből sikerült átvinni a kerámia szerkezetbe, annak ellenére, hogy a terméket hosszú időn keresztül, több mint 15 órán át a 6101 jelű alumínium-ötvözet olvadáspontja fölötti hőmérsékleten tartottuk. A keresztmetszetről készített mikrofelvételek bizonyították, hogy a szivacsszerű szerkezet olyan térelemekből áll, amelyekben kerámia csövecskékben fém mag van. A röntgendifrakciós vizsgálatok tanúsága szerint a kerámia anyag olyan három dimenziós szerkezetű, amelynek mátrixában alumínium fém részecskéi vannak, míg a mátrixot magát alumínium-trioxid alkotja. A fém mag anyaga alumínium. A kemény csőszerű fal elektromosan vezetőképes.

2. példa (a) Az 1. példában leírt eljárást ismételtük meg azzal az eltéréssel, hogy a kondicionált Duocel tömböt magnézium-nitrát 20%-os vizes oldatába merítettük, majd megszárítottuk, míg a 600 °C hőmérsékletű előmelegítést kihagytuk. Ezt követően 4 óra alatt a kemencébe helyezett szerkezet hőmérsékletét 1300 ’Cra emeltük és ezt a hőmérsékletet 15 órán keresztül tartottuk.

A hevítés befejeztével a terméket lehűtöttük és szemrevételezéssel megállapítottuk, hogy külső megjelenésében hasonlít az 1. példa szerinti termékhez, de a keresztmetszetről készített mikrofelvételek tanúsága szerint a térbeli szerkezetet alkotó térelemek csöves struktúrájában fém mag nem volt található és a fal vastagabb volt, mint az 1. példa szerint előállított termék esetében. Az üres belső tér, vagyis a térelemek belső nyílásának átmérője lényegében ugyanakkora volt, mint a kiindulási Duocel termék térelemeinek vastagsága. A fal lényegében finoman eloszlatott alumínium fémet tartalmazóü alumínium-trioxid mátrixként épült fel. A szerkezetben magnézium-aluminát-spinell jelenléte is meghatározható volt.

(b) Az 1. példában ismertetettek szerint jártunk el, azzal a különbséggel, hogy a magnézium-nitrátos oldatba való merítés helyett kolloidális szilícium-dioxidba merítettük a szivacsszerkezetű tömböt.

A tapasztalat szerint a magnézium-nitrát-oldat vagy a kollodiális szilícium-dioxid felvitelével biztosítható, hogy a hevítés előtt a szivacsszerű szerkezeten olyan bevonat alakul ki, amely képes a szerkezet integritását az alumínium-ötvözet olvadáspontja fölötti hőmérsékletre való felhevítése közbői biztosítani. Ezért általában nem mindig szükséges az olvadáspont alatti megemelt hőmérsékleten való melegítés végrehajtása. A magnézium-oxid és a szilícium-dioxid bevonatot ezen túlmenően dópoló anyag forrásai is, és a bennük levő fém elősegíti az alumínium-trioxidból keletkező kerámia növekedését, az olvasztott fémnek a létrejött kerámia anyagon történő átszállítását és ennek eredménye, hogy a Duocel termékben kezdetben jelen levő alumínium teljes mennyisége vagy oxidálódott, vagy az oxidációs reakciótermékben eloszlott.

3. példa

Finom szemcsézettségű, 0,001... 0,005 mm átmérőjű részecskékből álló alumínium-trioxid púdert ciklohexanon 20%-os nitrilgumis oldatában eloszlatva szuszpenziót készítettünk. Az 1. példa szerintivel azonos és előzetesen kondicionált Duocel tömböt bemerítettünk a szuszpenzióba és ezt úgy ráztuk össze, hogy a fém felületein az alumínium-trioxid áteresztő tulajdonságú rétege jöjjön létre. A bevonattal ellátott tömböt a 2. példával azonos módon hevítettük. Az előállított tennék vizsgálatával megállapítottuk, hogy, az oxidáló atmoszférában végrehajtott hevítés eredményeként olyan nyitott cellás struktúra alakult ki, amelyben alumínium-trioxid falú csövecskék alkotják a térelemeket, a megolvasztott alumínium a csövecskék falában részben oszlott el, míg a csövecskék belső terében a fém egy része megmaradt. Az így kapott szivacsszerű szerkezetet nagy szilárdság és jó elektromos vezetőképesség jellemzi.

4. példa (a) A 3. példában ismertetett eljárást úgy ismételtük meg, hogy alumínium-trioxid helyett 0,001... 0,01 m nagyságú szemcsékből álló finomra őrölt alumínium púdert használtunk a Duocel termékből kivágott szivacsszerkezetű blokk felületének bevonására és itt is nitrilgumis oldattal vittük fel a púdert. A hevítés során a finom szemcsézettségű alumínium por lényegében oxidálódott a fém felületén és ezzel olyan alumínium-trioxid réteget biztosított, amely egyrészt átengedi a gáz halmazállapotú oxidálószert, másrészt elegendő a habosított fémtömb szerkezeti integritásának megtartására az alumínium olvadáspontját meghaladó hőmérsékletek elérése után is. A kapott hálószerű szerkezetről készített mikrofelvételek tanúsága szerint olyan összekötő elemek, térelemek alakultak ki, amelyeket csöves kerámia fal és alumíniumból álló fém mag jellemez. A fal anyaga alumínium-trioxid, amelyben az alumínium van eloszlatva.

(b) Az előző bekezdésben ismertetettekkel analóg eredményekre jutottunk akkor, amikora hevítést nem levegő jelenlétében, hanem nitrogénatmoszféra biztosításával hajtottuk végre. Az így kapott termék térele9

HU 203 861 Β mei szintén csőszernek, de anyagukat alumínium-trioxid helyett alumínium-nitrid és ebben eloszlatott alumínium alkotja.

(c) A 3. példa szerinti eljárást úgy ismételtük meg, hogy a Duocel termékből kivágott szivacsszerkezetű tömböt nemcsak a 3. példa szerinti alumínium-trioxid szuszpenzióval, hanem a 4. példa (a) bekezdése szerinti alumínium szuszpenzióval is bevontuk. A kapott eredmények az (a) bekezdés szerintiekkel analógak voltak. A kerámia fal levegő jelenlétében végzett előállítása során alumínium-trioxid mátrixot és alumínium-nitridből és alumínium-trioxidból álló és alumíniumot tartalmazó mátrixot tartalmazott.

5-10. példa

A 3. példában ismertetett eljárást ismételtük meg azzal, hogy a Duocel termékből kialakított szivacszszerkezetű blokkot a kerámia létrehozását eredményező hevítés előtt különböző bevonatokkal láttuk el. A hevítést követően a kész terméket kinyertük és megállapítottuk, hogy a kerámia anyagú merev habot csöves szerkezetű térelemek alkotják, olyan csövecskék alakultak ki, amelyek összetett szerkezetű kerámia anyagból és ebben eloszlatott szemcsés formájú összetevőkből állnak. Az összetett szerkezetű kerámia anyag mátrixában a bevonat létrehozásában résztvevő anyagok vannak eloszlatott formában jelen. Egyes esetekben megfigyelhető volt fém mag jelenléte a csövecskék belső terében, míg más esetekben a fém mag hiányzott, az üreges belső tér méretei lényegében megegyeztek a kiindulási duocel termék térelemeinek jellemző méreteivel. A fém mag jelenléte vagy hiánya elsősorban a hevítés idejétől és a dópoló anyag jelenlététől függött, akárcsak a 2. példa esetében. Az előállítási példákat a követekző táblázat szemlélteti:

Példa jele	Hevítés előtt felvitt por	Hevítési atmoszféra	Kerámia anyag összetétele
5(a)	Al/SiO₂	levegő	A1₂O₃/A1/SÍ
5(b)	A1/SíO₂	^N2	A1N/AVSÍ/A1₂O₃
6(a)	SiO	levegő	SiO/A^Oj/Al
6(b)	SiO	n₂	SiO/AlN/Al
7(a)	Al/SiO	levegő	Al₂O₃/Al/SiO/Si
7(b)	Al/SiO	n₂	AlN/Al/SiO
8(a)	A1N	levegő	Al₂O₃/Al/SiO/Si
8(b)	A1N	^N2	A1N/A1
9(a)	A1/A1N	leveghő	AljjOg/Al/AIN
9(b)	A1/A1N	^N2	A1N/A1
10(a)	- b₄c	n₂	A1N/A1/B₄C
10(b)	b₄qai	N2	A1N/A1/B₄C

11. példa

99,7% tisztaságú alumíniumból két szivacsszerű testet készítettünk el és ezeket kiindulási testként használtuk a találmány szerinti eljárás foganatosításához nitrogént, mint oxidálószert használva. Az egyik kiindulási testet úgy hoztuk létre, hogy megolvasztott alumíniumot nátrium-klorid szemcsék ágyába öntöttünk, majd a kihűlt fémből a só szemcséit vízzel kimostuk. A másik kiindulási testet fluid ágyban tartott részecskékbe öntjük alumínium nyomás alatti öntésével hoztuk létre, majd a részecskéket, amelyek anyaga korom volt, levegőben végzett melegítéssel oxidáltuk.

Mindkét esetben, vagyis a szivacsszerű szerkezet létrehozására szükséges segédanyagok eltávolítása után a porózus szerkzezetű alumínium testet nitrogénatmoszférában hevítettük. A hevítés műveleti sorrendje a következő volt:

(1) 20 ’C-ról 650 “C-ra emeltük 2 óra alatt a hőmérsékletet, (2) a 650 “C hőmérsékletet 16 órán keresztül fenntartottuk, (3) a hőmérsékletet 5 óra alatt 650 °C-ról 1700 ’Cra emeltük, (4) az 1700 ’C hőmérsékletet 2 órán keresztül fenntartottuk, (5) a kemence tápellátását kikapcsoltuk és a terméket hagytuk szobahőmérsékletre lehűlni.

A kinyert terméket megvizsgálva megállapítottuk, hogy a 650 ’C hőmérsékleten, tehát közvetlenül az alumínium olvadáspontja környezetében végzett melegítés során — ennek közege nitrogén volt — olyan struktúra jött létre, amely képes volt a hevítés magas, 1700 °C hőmérsékletén a szivacsszerű szerkezet integritását megtartani. A végtermék külső méretei lényegében nem változtak a hosszú idejű magas hőmérsékletű kezelés ellenére sem. Egyik szivacsszerű szerkezetnél sem alkalmaztunk dópoló anyagot. A kiindulási terméket és a végterméket összehasonlítottuk, fizikai jellemzőiket megállapítottuk és a fluidágyas öntéssel kapott szivacsszerű szerkezet esetében a következő adatokat kaptuk:

Jellemző	Kiindulási test	Hevített test
Tömeg, g	1,62	2,31
Térfogat, cm³	2,31	2,25
Sűrűség, g/cm³	0,69	1,00
Látszólagos poro-
zitás, %	73,2	47,3
Tényleges poro-
zitás, %	74,6	69,2

-101

HU 203 861 Β

A hevített testekre vonatkozóan elvégeztük a röntgendiffrakciós vizsgálatokat és ezek azt mutatták, hogy a test anyagát lényegében tiszta alumínium-nitrid alkotta. Az elméleti tömegnyereség az alumíniumról alumínium-nitridbe való átváltás révén 52%, míg a gyakorlati eredmény ennél a vizsgálatnál 42,6% körüli volt.

Nyilvánvaló, hogy az előzőekben csak néhány és nem minden lehetőséget kimerítő példa kapcsán ismertettük találmányunkat. Az itt adott ismérvek és útmutatások alapján szakember számos további foganatosítási módot, illetve kiviteli alakot tud előkészíteni.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Merev kerámia hab, amely egymással összekötött térelemekből álló üreges hálószerű testtel van kialakítva, ahol a térelemek egymással véletlenszerűen három dimenzióban kapcsolódnak, és a térelemek felületei egymással véletlenszerűen kapcsolódó nyitott csatornák hálózatát határozzák meg, azzal jellemezve, hogy az üreges hálószerű test polikristályos kerámia anyagból in situ létrehozott térelemekből (2) áll, ahol a kerámia anyag fém alapanyag oxidációs reakciótermékét tartalmazza és benne adott esetben egy vagy több fémes összetevő van. Elsőbbsége: 1986.09.16.
2. Az 1. igénypont szerinti kerámia hab, azzal jellemezve, hogy a térelemek (2) egymással három dimenzióban összekötött alumínium-trioxid részekből tevődnek össze és bennük adott esetben alumínium van. Elsőbbsége: 1986.09.16.
3. Az 1. igénypont szerinti kerámia hab, azzal jellemezve, hogy a térelemek (2) egymással három dimenzióban összekötött alumínium-nitrid részekből tevődnek össze, amelyek adott esetben alumíniumot tartalmaznak Elsőbbsége: 1986.09.16.
4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti kerámia hab, azzal jellemezve, hogy a kerámia anyagban töltőanyag részecskéi vannak. Elsőbbsége: 1986.09.16.
5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti kerámia hab, azzal jellemezve, hogy a fém alapanyag gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószerrel előállított oxidációs reakciótermékét tartalmazza. Elsőbbsége: 1986.09.16.
6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti kerámia hab, azzal jellemezve, hogy a térelemek (2) belső tere fémes anyagtól mentesen van kialakítva. Elsőbbsége: 1986.09.16.
7. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti kerámia hab, azzal jellemezve, hogy a térelemek (2) belső terében fém mag (8) és üres tér (7) van. Elsőbbsége: 1986. 09.16.
8. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti kerámia hab, azzal jellemezve, hogy egymás mellett fémtől mentes és fémmel részben telített belső terű térelemekkel (2) van kialakítva. Elsőbbsége: 1986.09.16.
9. Az 1 -8. igénypontok bármelyike szerinti kerámia hab, azzal jellemezve, hogy fémoxidból, fémműidből, fémboridból és/vagy fémkarbidból, illetve ezek tetszőleges keverékéből kialakított töltőanyaggal van kiképezve. Elsőbbsége: 1986.09.16.
10. A 9. igénypont szerinti kerámia hab, azzal jellemezve, hogy a töltőanyag szüícium-karbid, szilíciumnitrid, alumínium-nitrid és alumínium-trioxid bármelyike, illetve ezek tetszőleges arányú keveréke. Elsőbbsége: 1986.09.16.
11. Eljárás habos kerámia termék előállítására, amikoris fém alapanyagból egymással véletlenszerű módon három dimenziós szerkezetben összekötött és nyitott cellás struktúrát alkotó szivacsszerű szerkezetet hozunk létre, ahol a szivacsszerű szerkezetben véletlenszerűen három dimenzióban egymással kapcsolódó csatornák vannak, azzal jellemezve, hogy a fém alapanyagból készült szivacsszerű szerkezetet (1) a fém alapanyag olvadáspontja alatti hőmérsékletre melegítjük, ezzel felületén a nyitottcellás struktúra integritását a fém olvadáspontja fölé való hevítés mellett is biztosító bevonatot (4) alakítunk ki, az előmelegített szivacsszserű szerkezetet (1) fém anyagának olvadáspontja feletti hőmérsékletre hevítjük, a megolvasztott fémet oxidálószerrel érintkeztetjük, az oxidációs reakció során a megolvadt fémet az oxidálószerrel kapcsolatban tartjuk a bevonaton (4) belül és szükség szerint a bevonat (4) alatt, és ezzel nyitott szerkezetű kerámia habot hozunk létre, majd az elkészült kerámia testet lehűtjük és kinyerjük Elsőbbsége: 1986.09.16.
12. A11. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szivacsszerű szerkezetet (1) megtartó bevonatot (4) a fém alapanyagot oxidáló gáz jelenlétében a fém olvadáspontja alatti hőmérsékletre melegítjük és a megemelt hőmérsékletet a kívánt vastagságú bevonat (4) létrehozásáig fenntartjuk, ahol a bevonatot (4) oxidként hozzuk létre. Elsőbbsége: 1986.09.16.
13. A 11. vagy 12. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a fém alapanayag alumínium, míg az oxidálószer oxigéntartalmú gáz, különösen levegő, amivel alumínium-trioxidot hozunk létre. Elsőbbsége: 1986.09.16.
14. A 11. vagy 12. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a fém alapanyag alumínium, a szivacsszerű szerkezetet (1) nitrogéntartalmú gáz jelenlétében melegítjük, és ezzel alumíaium-nitridet hozunk létre. Elsőbbsége: 1986.09.16.
15. All. vagy 12. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szivacsszerű szerkezeten (1) a bevonatot (4) a fém alapanyag olvadáspontja alatt az oxidálószerrel reakcióba lépő anyag lerakatásával készítjük el. Elsőbbsége: 1986.09.16.
16. A15. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy fém alapanyagként alumíniumot, oxidálószerként gőz vagy gáz halmazállapotú oxidálószert alkalmazunk, míg a szivacsszerű szerkezet (1) felületén magnéziumsó oldatával, nagy finomságú alumíniumporból, alumínium-trioxidból, szüícium-dioxidból, szilícium-karbidból, alumínium-nitridből, szflícium-nitridból és bór-nitridből, ezek bármelyikéből, illetve tetszőleges keverékéből készített szuszpenzióval hozzuk létre a bevonatot (4). Elsőbbsége: 1986.09.16.
17. A 11-16. igénypontok bármelyike szerinti eljá11

-111

HU 203 861 Β rás, azzal jellemezve, hogy oxidálószerként levegőt használunk. Elsőbbsége: 1987.08.26.
18. A 11-17. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a bevonattal (4) ellátott szivacsszerű szerkezetet (1) annyi ideig tartjuk a felheví- 5 tés hőmérsékletén, hogy a megolvadt fém egy része az oxidációs reakcióból kimaradjon.
19. A18. igénypont szeimti eljárás, azzal jellemezve, hogy alumínium fém alapanyagot és gőz vagy gáz halma zállapntií oxidálószert használunk. Elsőbbsége: 1987.08.26.
20. A19. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy oxidálószerként levegőt használunk. Elsőbbsége: 1987.08.26.
21. A19. igénypont’szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy oxidálószerként nitrogént használunk. Elsőbbsége: 1987.08.26.