RU2526453C2 - Ceramic composite material based on aluminium-oxygenic ceramics structured by nanostructures tin - Google Patents

Ceramic composite material based on aluminium-oxygenic ceramics structured by nanostructures tin Download PDF

Info

Publication number
RU2526453C2
RU2526453C2 RU2012147349/03A RU2012147349A RU2526453C2 RU 2526453 C2 RU2526453 C2 RU 2526453C2 RU 2012147349/03 A RU2012147349/03 A RU 2012147349/03A RU 2012147349 A RU2012147349 A RU 2012147349A RU 2526453 C2 RU2526453 C2 RU 2526453C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tin
composite material
nanowires
ceramic composite
oxygenic
Prior art date
Application number
RU2012147349/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012147349A (en
Inventor
Владимир Михайлович Смирнов
Елена Георгиевна Земцова
Алексей Вадимович Монин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)
Priority to RU2012147349/03A priority Critical patent/RU2526453C2/en
Publication of RU2012147349A publication Critical patent/RU2012147349A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2526453C2 publication Critical patent/RU2526453C2/en

Links

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

FIELD: nanotechnology.
SUBSTANCE: invention relates to the field of nanotechnology, in particular to production of high-strength and high-temperature resistant ceramic composite material based on aluminium-oxygenic ceramic structured in the amount of nanostructures (nanowires) TiN, and can be used in engineering, in articles of aerospace engineering, engine-building, metal-processing industry, in the units and details most important and subjected to extreme thermal cycling loads.
EFFECT: new ceramic composite material comprises aluminium-oxygenic matrix and the dispersed phase TiN at a ratio of wt %: Al2O3 - 84,1% and TiN - 15,9% with the diameter of TiN nanowires of 5 nm and has high strength properties: tensile strength at 3-point bending is 1262±20 MPa and fracture toughness is 9 MPa/m1/2, whereby it can be successfully used in the extreme conditions of high temperature cycling loads at temperatures up to 1500°C in air.
2 ex, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности производства высокопрочного и высокотермостойкого керамического композиционного материала на основе алюмокислородной керамики, структурированной в объеме нанонитями TiN, и оно может быть использовано в машиностроении, в том числе в наиболее важных и подверженных экстремальным нагрузкам узлах и деталях, в частности в авиационно-космической технике, материалов двигателестроения, режущих материалов металлообрабатывающей промышленности, материалов стоматологии.The invention relates to the field of nanotechnology, in particular the production of high-strength and high-temperature resistant ceramic composite material based on alumina ceramics, structured in volume by TiN nanowires, and it can be used in mechanical engineering, including in the most important nodes and parts subject to extreme loads, in particular in aerospace engineering, engine materials, cutting materials for the metal industry, dentistry materials.

В настоящее время известны композиционные материалы на основе керамической матрицы, структурированной дисперсной фазой, разного химического состава [1-6].At present, composite materials based on a ceramic matrix structured by the dispersed phase of various chemical compositions are known [1-6].

Известен способ покрытия различных дисперсных материалов (нитей, частиц карбидами или нитридами металлов в газовой фазе) [1]. Однако известный способ не позволяет получать наноструктуры (нити, частицы), а предлагает метод получения дисперсных материалов микронных размеров.A known method of coating various dispersed materials (filaments, particles with carbides or metal nitrides in the gas phase) [1]. However, the known method does not allow to obtain nanostructures (threads, particles), but offers a method for producing dispersed materials of micron sizes.

Известен керамический композит и процесс для его производства [2], который состоит из частиц неорганических соединений (карбидных, нитридных, оксидных, борид хрома, силицидов и кислородно-нитрида) и частицы, и нити из Si3N4, Si2N2O или SiO2. Однако у известного керамического композита не описаны его механические характеристик, а недостатком способа является отсутствие возможности получать наноструктуры (нити, частицы), а предлагает метод получения дисперсных материалов микронных размеров.A known ceramic composite and the process for its production [2], which consists of particles of inorganic compounds (carbide, nitride, oxide, chromium boride, silicides and oxygen nitride) and particles and threads of Si 3 N 4 , Si 2 N 2 O or SiO 2 . However, the known ceramic composite does not describe its mechanical characteristics, and the disadvantage of this method is the inability to obtain nanostructures (filaments, particles), but it offers a method for producing dispersed micron-sized materials.

Известен керамический режущий инструмент, армированный нитями [3], который изготовлен на основе композита и относится к материалам на основе стали с нанесенными слоями, включающими оксидную матрицу 5-50% по объему и дисперсную фазу 10-40% по объему, в виде равномерно рассредоточенных нитей карбидов, нитридов и/или боридов титана и/или циркония. Однако известный материал имеет достаточно низкие для использования его в качестве конструкционного материала механические свойства. Недостатком предлагаемого керамического композита является наличие у материала механических свойств, достаточных для режущего инструмента и являющихся плохими для конструкционного материала.Known ceramic cutting tool reinforced with filaments [3], which is made on the basis of a composite and relates to materials based on steel with deposited layers including an oxide matrix of 5-50% by volume and a dispersed phase of 10-40% by volume, in the form of uniformly dispersed filaments of carbides, nitrides and / or borides of titanium and / or zirconium. However, the known material has low enough mechanical properties to use it as a structural material. The disadvantage of the proposed ceramic composite is that the material has mechanical properties sufficient for a cutting tool and poor for a structural material.

Известен керамический композиционный материал [4], который может быть использован при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей перспективных газотурбинных установок и двигателей. Известный материал включает углеродные волокна и матрицу, полученную из композиции следующего химического состава, мас.%: Si 20-35, C 25-40, SiO2 5,5-6,0, HfO2 5-8, SiC - остальное. Однако известный материал не обладает необходимыми механическими свойствами (в частности, вязкостью разрушения, пределом прочности при 3-точечном изгибе и др.) для использования изготовленных на его основе изделий и деталей в экстремальных условиях работы и агрессивных средах. Недостатком материала является использование дисперсной фазы микронных размеров. Материал не структурирован на нано уровне и не обладает необходимыми механическими свойствами (в т.ч. вязкость разрушения, предел прочности при 3-точечном изгибе).Known ceramic composite material [4], which can be used in the manufacture of heat-loaded units and parts of promising gas turbine units and engines. Known material includes carbon fibers and a matrix obtained from a composition of the following chemical composition, wt.%: Si 20-35, C 25-40, SiO 2 5.5-6.0, HfO 2 5-8, SiC - the rest. However, the known material does not possess the necessary mechanical properties (in particular, fracture toughness, tensile strength at 3-point bending, etc.) for using products and parts made on its basis in extreme working conditions and aggressive environments. The disadvantage of the material is the use of the dispersed phase of micron sizes. The material is not structured at the nano level and does not possess the necessary mechanical properties (including fracture toughness, tensile strength at 3-point bending).

Известен композиционный материал на основе алюмокислородной матрицы с дисперсной фазой - частицами SiC [5], который имеет смесь нано- и микро размерных частиц. Этот материал содержит алюмокислородную матрицу с нано- и микро размерными частицами SiC. Материал получают смешением двух порошков, один из которых оксид алюминия с размером частиц около 1 мкм, а второй - SiC с частицами около 1 мкм с разбросом частиц по размерам в диапазоне от 100 nm до 1.9 мкм, (Недостатками известного композиционного материала являются недостаточно высокие механические характеристики, в числе которых вязкости разрушения - КC, и предел прочности при трехточечном изгибе (σизг) - Это связано с тем, что равномерно распределить частицы по объему матрицы в известном композиционном материале механическим смешением не возможно. Не равномерное распределение дисперсной фазы по объему матрицы приводит к снижению функциональных свойств материала, в том числе вязкости разрушения - КC, предела прочности при трехточечном изгибе (σизг).A known composite material based on an alumina matrix with a dispersed phase — SiC particles [5], which has a mixture of nano- and micronized particles. This material contains an alumina matrix with nano- and micro-sized particles of SiC. The material is obtained by mixing two powders, one of which is aluminum oxide with a particle size of about 1 μm, and the second is SiC with particles of about 1 μm with a particle size dispersion in the range from 100 nm to 1.9 μm, (The disadvantages of the known composite material are insufficiently high mechanical characteristics, including fracture toughness - K C, and the tensile strength in three-point bending (σ mfd) - This is due to the fact that the particles are evenly distributed over the volume of the matrix, in a composite material by mechanical mixing is not in . Possible Not uniform distribution of the disperse phase volume of matrix leads to a decrease of functional material properties, including fracture toughness - K C, the tensile strength in three-point bending (σ mfd).

Известен композиционный материал на основе алюмокислородной матрицы с дисперсной фазой на основе TiN [6]. Этот патент является наиболее близким по достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению и выбран в качестве прототипа. Причем, в этом патенте (CN 102219483) размер наночастиц дисперсной фазы не указывается, но при этом указывается, что присутствуют и микрочастицы дисперсной фазы. Авторы патента CN 102219483 отмечают, что композиционный материал предназначен для использования в качестве режущего инструмента. Рассматриваемый ближайший аналог (патент CN 102219483) может работать, как режущий инструмент, и максимальная температура режущего инструмента - 1000°C. Предлагаемый нами материал может использоваться в машиностроении, в том числе в изготовлении элементов и узлов газотурбинных двигателей, авиационно-космической техники, теплонагруженных узлов и деталей перспективных газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, транспортных и энергетических систем, работающих в экстремальных условиях высоких термоциклических нагрузок при температурах до 1500°C на воздухе.Known composite material based on an alumina matrix with a dispersed phase based on TiN [6]. This patent is the closest achieved technical result to the claimed invention and is selected as a prototype. Moreover, in this patent (CN 102219483) the size of the dispersed phase nanoparticles is not indicated, but it is also indicated that microparticles of the dispersed phase are also present. The authors of the patent CN 102219483 note that the composite material is intended for use as a cutting tool. Consider the closest analogue (patent CN 102219483) can work as a cutting tool, and the maximum temperature of the cutting tool is 1000 ° C. The material we offer can be used in mechanical engineering, including the manufacture of elements and components of gas turbine engines, aerospace equipment, heat-loaded units and parts of promising gas turbine units and engines of gas, oil pumping, transport and energy systems operating in extreme conditions of high thermal cyclic loads at temperatures up to 1500 ° C in air.

Из приведенных выше данных следует, что при одинаковом химическом составе композиционного материала (матрица - Al2O3 и дисперсная фаза на основе TiN) для ближайшего аналога (патент CN 102219483) и заявляемого объекта их функциональные свойства резко различаются. По нашему мнению основной причиной понижения функциональных свойств керамических композиционных наноматериалов является присутствие в полученных материалах дисперсной фазы (частиц, например, TiN) микронного и наноразмера. Действительно, в ближайший аналоге (патент CN 102219483) авторы пишут о наночастицах TiN, но не доказывают процентное содержание наночастиц, например, методом динамического рассеяния света или методом электронной микроскопии. Таким образом, в рассматриваемом патенте CN 102219483 содержится смесь частиц микронного и наноразмера, как в прочем, и в других патентных и литературных источниках, где не указаны особые условия получения и доказательства ~100% содержания частиц с размером от 1 до 100 нм.From the above data it follows that with the same chemical composition of the composite material (the matrix is Al 2 O 3 and the dispersed phase based on TiN) for the closest analogue (patent CN 102219483) and the claimed object, their functional properties differ sharply. In our opinion, the main reason for the decrease in the functional properties of ceramic composite nanomaterials is the presence in the obtained materials of a dispersed phase (particles, for example, TiN) of micron and nanoscale sizes. Indeed, in the closest analogue (patent CN 102219483), the authors write about TiN nanoparticles, but do not prove the percentage of nanoparticles, for example, by dynamic light scattering or electron microscopy. Thus, in the considered patent CN 102219483 contains a mixture of micron particles and nanoscale, as in other, and other patent and literature sources, which do not indicate special conditions for obtaining and evidence of ~ 100% content of particles with sizes from 1 to 100 nm.

С другой стороны следует отметить, что в нашей заявке дисперсная фаза (TiN) используется в виде нанонитей. Известно [8], что существуют научные и технические данные, что введение нанонитей в керамический композиционный материал повышает прочность материала.On the other hand, it should be noted that in our application the dispersed phase (TiN) is used in the form of nanowires. It is known [8] that scientific and technical data exist that the introduction of nanowires into a ceramic composite material increases the strength of the material.

Следует учитывать, что для керамик, наполненных нитями (волокнами), т.е. армированных керамик, характерно использование волокон близких по размеру их диаметра к величине порядка 0,1 мм и выше, что приводит к возникновению многочисленных внутренних границ раздела фаз, препятствует принципиальному улучшению функциональных свойств композита.It should be noted that for ceramics filled with threads (fibers), i.e. reinforced ceramics, it is typical to use fibers close in size to about 0.1 mm in diameter and higher, which leads to the emergence of numerous internal phase boundaries, and prevents a fundamental improvement in the functional properties of the composite.

Армирование керамики нанонитями (предусмотрено в нашем проекте от 1 нм до 10 нм) TiN позволяет резко увеличить прочность и вязкость разрушения керамики и тем самым позволяет резко улучшить механические свойства композиционного материала на основе керамической матрицы при повышенных температурах.Reinforcing ceramics with nanowires (provided in our project from 1 nm to 10 nm) TiN can dramatically increase the strength and fracture toughness of ceramics and thereby dramatically improve the mechanical properties of a composite material based on a ceramic matrix at elevated temperatures.

Таким образом в заявке предложен принципиально новый наноструктурированный материал, в котором за счет условий получения получаются нанонити (от 1 нм до 10 нм) TiN, что позволяет улучшить механические свойства образцов при повышенных температурах (1500°C).Thus, the application proposed a fundamentally new nanostructured material, in which, due to the production conditions, TiN nanowires (from 1 nm to 10 nm) are obtained, which allows improving the mechanical properties of samples at elevated temperatures (1500 ° C).

Возвращаясь к общей характеристике заявки, следует отметить, что технической задачей является получение композиционного материала на основе керамической матрицы, наноструктурированного нанонитями размером 1-10 нм, обладающего высокими механическими характеристиками и работающего в экстремальных условиях высоких термоциклических нагрузок при температурах до 1500°C на воздухе. Заявленное изобретение свободно от недостатков, характерных для прототипа, его техническим результатом является повышение механических характеристик композиционного материала при повышенных температурах (1500°C): предела прочности при трехточечном изгибе (σизг).Returning to the general characteristics of the application, it should be noted that the technical task is to obtain a composite material based on a ceramic matrix, nanostructured by nanowires of 1-10 nm in size, having high mechanical characteristics and operating under extreme conditions of high thermal cyclic loads at temperatures up to 1500 ° C in air. The claimed invention is free from the shortcomings of the prior art, it is the technical result of improving the mechanical characteristics of the composite material at elevated temperatures (1500 ° C): tensile strength in three-point bending (σ mfd).

Технический результат достигается тем, что предложен композиционный материал, состоящий из алюмокислородной матрицы, содержащей нитрид титана (TiN) в виде нанонитей, при этом соотношение компонентов следующие, мас.%:The technical result is achieved by the fact that the proposed composite material consisting of an alumina matrix containing titanium nitride (TiN) in the form of nanowires, while the ratio of the components is as follows, wt.%:

оксид алюминия Al2O3 - 84,1%aluminum oxide Al 2 O 3 - 84.1%

нитрид титана (TiN) - 15,9%,titanium nitride (TiN) - 15.9%,

с диаметром нанонитей TiN, 5 нм.with a diameter of TiN nanowires, 5 nm.

В заявляемом изобретении впервые, исходя из анализа массива патентной и научной информации на дату подачи заявки, для повышения механических свойств композиционного материала на основе алюмокислородной матрицы и дисперсной фазы предлагается использовать материал, содержащий дисперсную фазу в виде нанонитей TiN с диаметром 5 нм.In the claimed invention, for the first time, based on an analysis of the array of patent and scientific information on the filing date of the application, it is proposed to use a material containing a dispersed phase in the form of TiN nanowires with a diameter of 5 nm to increase the mechanical properties of a composite material based on an alumina matrix and a dispersed phase.

Особенностью предлагаемого материала является использование предложенного одним из авторов метода поверхностного структурирования [7]. Применение этого метода позволяет получать материал с нанонитями TiN. В качестве сырьевых материалов используют дисперсные частицы оксида алюминия (Al2O3), низкомолекулярные вещества - четыреххлористый титан (TiCl4) и аммиак (NH3).A feature of the proposed material is the use of the method of surface structuring proposed by one of the authors [7]. Application of this method allows one to obtain material with TiN nanowires. As raw materials used dispersed particles of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), low molecular weight substances - titanium tetrachloride (TiCl 4 ) and ammonia (NH 3 ).

Заявляемое изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. Результаты проведенных в режиме реального времени исследований, подтверждающих достижение технического результата, приведены в конкретных примерах реализации заявленного изобретения.The claimed invention was tested in laboratory conditions of St. Petersburg State University. The results of real-time studies confirming the achievement of a technical result are given in specific examples of the implementation of the claimed invention.

Сущность заявленного изобретения поясняется конкретным примером реализации способа с таблицами.The essence of the claimed invention is illustrated by a specific example of the implementation of the method with tables.

Пример 1Example 1

Брались образцы композиционного материала на основе алюмокислородной матрицы и дисперсной фазы с различным содержанием TiN (мас.%) и различным диаметром нанонитей TiN (нм). Для сравнения механических характеристик композиционных материалов заявленного изобретения и прототипа в таблице 1 представлены механические свойства композиционного материала на основе α Al2O3 и дисперсной фазы (нанонити нитрида титана) и образца материала по прототипу.Samples of a composite material based on an alumina matrix and a dispersed phase with different TiN contents (wt.%) And different diameters of TiN nanowires (nm) were taken. To compare the mechanical characteristics of the composite materials of the claimed invention and the prototype, table 1 presents the mechanical properties of the composite material based on α Al 2 O 3 and the dispersed phase (titanium nitride nanowires) and the prototype material sample.

Для исследования механической прочности сравниваемых образцов керамического композиционного материала на основе α Al2O3 и дисперсной фазы (нанонити нитрида титана) и образца материала по прототипу определяли предел прочности при трехточечном изгибе (σизг) на разрывной машине AG - 50KNXD (Япония) в ресурсном центре инновационных технологий композиционных материалов СПбГУ. Расстояние между опорами в ячейке разрывной машины составляло 25 мм (для образца длиной L~40 мм).To investigate the mechanical strength of the compared sample of the ceramic composite material based on α Al 2 O 3, and the dispersed phase (nanowires titanium nitride), and a sample of material of the prototype was measured tensile strength in three-point bending (σ mfd) on the tensile testing machine AG - 50KNXD (Japan) in the resource Center for Innovative Composite Materials Technology, St. Petersburg State University. The distance between the supports in the cell of the tensile testing machine was 25 mm (for a sample of length L ~ 40 mm).

Расчет предела прочности при трехточечном изгибе (аизг) проводили по формуле: σизг=3Рl/2bh2, где Р - разрушающее усилие; b и h - ширина и высота образца, соответственно. Определялась также вязкости разрушения (КC)Calculating the ultimate strength in three-point bending (aizg) was performed according to the formula: σ = mfd 3Rl / 2bh 2, where P - breaking force; b and h are the width and height of the sample, respectively. The fracture toughness (K C ) was also determined

Прочность химических межатомных связей, благодаря которой керамические материалы обладают высокой твердостью, химической и термической стойкостью, одновременно обусловливает их низкую способность к пластической деформации и склонность к хрупкому разрушению (т.е. низкую трещиностойкость).The strength of chemical interatomic bonds, due to which ceramic materials have high hardness, chemical and thermal resistance, simultaneously determines their low ability to plastic deformation and tendency to brittle fracture (i.e. low crack resistance).

Как известно, большинство керамических материалов имеет низкую вязкость и пластичность и соответственно низкую трещиностойкость. Вязкость разрушения кристаллической керамики составляет около 1-2 МПа/м1/2, в то время как для металлов она составляет более 40 МПа/м1/2. Отметим, что вязкость разрушения (КC) характеристика способности материала сопротивляться началу движения и развитию трещин при механических и других воздействиях. В заявляемом изобретении достижение технического результата, т.е. повышение вязкости разрушения (КC) заключалось в применении керамического материала, содержащего нанонити TiN. Развивающаяся трещина в керамике на своем пути встречает нанонить и дальше не распространяется.As is known, most ceramic materials have low viscosity and ductility and, accordingly, low crack resistance. The fracture toughness of crystalline ceramics is about 1-2 MPa / m 1/2 , while for metals it is more than 40 MPa / m 1/2 . Note that the fracture toughness (K C ) is a characteristic of the ability of a material to resist the onset of motion and the development of cracks under mechanical and other influences. In the claimed invention, the achievement of a technical result, i.e. the increase in fracture toughness (K C ) consisted in the use of a ceramic material containing TiN nanowires. A developing crack in ceramics meets nanowires on its way and does not spread further.

Вязкость разрушения определяли при испытании на сосредоточенный (3-точечный) изгиб образца с надрезом, база изгиба составляла 14.5 мм. Расстояние между опорами для образцов длиной l~40 мм составляло 25 мм. Надрез осуществлялся алмазной дисковой пилой с толщиной режущей кромки 0.4 mm. Погрешность определения предела прочности составляет ±8%.The fracture toughness was determined when testing for concentrated (3-point) bending of the specimen with a notch, the bending base was 14.5 mm. The distance between supports for samples with a length of l ~ 40 mm was 25 mm. The notch was made with a diamond circular saw with a cutting edge thickness of 0.4 mm. The error in determining the tensile strength is ± 8%.

Как следует из таблицы 1, композиционный материал на основе алюмокислородной матрицы и дисперсной фазы с различным содержанием TiN (мас.%) и различным диаметром нанонитей TiN (нм) при определенном содержания дисперсного TiN, позволяет значительно увеличить предел прочности при 3-точечном изгибе. Причем, диапазон оптимального содержания дисперсного TiN лежит в диапазоне от 10 мас.% до 25,1 мас.%, поскольку именно для этого диапазона характерны высокие значения пределов прочности при 3-точечном изгибе (σизг).As follows from table 1, a composite material based on an alumina matrix and a dispersed phase with different TiN content (wt.%) And different diameter of TiN nanowires (nm) at a certain content of dispersed TiN, can significantly increase the tensile strength in 3-point bending. Moreover, the optimum range of the content of TiN is dispersed in the range of 10 wt.% To 25.1 wt.%, Since it is this range characterized by high values of ultimate strength during 3-point flexural (σ mfd).

Таблица 1Table 1 ОбразецSample толщина нанонити, нмnanowire thickness, nm Предел прочности при 3-точечном изгибе, МПаStrength at 3-point bending, MPa Вязкость разрушения, МПа/м1/2 The fracture toughness, MPa / m 1/2 Исходный образец нано α Al2O3 The initial sample of nano α Al 2 O 3 -- 450450 22 образец №1 TiN мас.% 3,8sample No. 1 TiN wt.% 3.8 1one 1120±201120 ± 20 77 образец №2 TiN мас.% 10,1sample No. 2 TiN wt.% 10,1 33 1178±221178 ± 22 99 образец №3 TiN мас.% 15,9sample No. 3 TiN wt.% 15.9 55 1262±201262 ± 20 99 образец №4 TiN мас.% 25,1sample No. 4 TiN wt.% 25.1 1010 1244±201244 ± 20 99 Образцы по прототипу (см. патент CN 102219483)Samples of the prototype (see patent CN 102219483) Al2O3 62,16%; TiN 37, 0%;Al 2 O 3 62.16%; TiN 37, 0%; nano TN-6.38%-37.01%; microns TiN 0-19.13%;nano TN-6.38% -37.01%; microns TiN 0-19.13%; 897897 9,69.6

Пример 2Example 2

Были проведены исследования по термической стабильности образцов для эксплуатации при 1500°C. Образцы прокаливались при температуре 1500°C в течение 10 часов при нагрузке 5МПа. Затем снова проводились исследования на вязкость разрушения образцов.Studies have been conducted on the thermal stability of samples for use at 1500 ° C. Samples were calcined at a temperature of 1500 ° C for 10 hours at a load of 5 MPa. Then, studies were again conducted on the fracture toughness of the samples.

Брались образцы композиционного материала на основе алюмокислородной матрицы и дисперсной фазы с различным содержанием TiN (мас.%) и различным диаметром нанонитей TiN (нм). В таблице 2, в которой сравниваются механические свойства образцов при термонагрузке, приведена вязкость разрушения при термонагрузке композиционного материала на основе α Al2O3 структурированной нанонитями нитрида титана и образца материала по прототипу.Samples of a composite material based on an alumina matrix and a dispersed phase with different TiN contents (wt.%) And different diameters of TiN nanowires (nm) were taken. Table 2, which compares the mechanical properties of samples under thermal loading, shows the fracture toughness during thermal loading of a composite material based on α Al 2 O 3 structured by titanium nitride nanowires and a prototype material sample.

Данные таблицы 2 подтверждают, что полученный керамический материал в температурном диапазоне 1300-1500°C при нагрузке 5 МПа, может обеспечивать стабильную эксплуатацию материала, поскольку вязкость разрушения имеет максимальные значения и не изменяется.The data in table 2 confirm that the obtained ceramic material in the temperature range of 1300-1500 ° C with a load of 5 MPa can ensure stable operation of the material, since the fracture toughness has maximum values and does not change.

Таблица 2table 2 ОбразецSample Вязкость разрушения, МПа/м1/2 The fracture toughness, MPa / m 1/2 1300°C1300 ° C 1500°C1500 ° C образец №1 TiN мас.% 3,8sample No. 1 TiN wt.% 3.8 77 77 образец №2 TiN мас.% 10,1sample No. 2 TiN wt.% 10,1 99 99 образец №3 TiN мас.% 15,9sample No. 3 TiN wt.% 15.9 99 99 образец №4 TiN мас.% 25,1sample No. 4 TiN wt.% 25.1 99 99 Образцы по прототипу (см. патент CN 102219483)Samples of the prototype (see patent CN 102219483) нет данныхthere is no data нет данныхthere is no data

Как видно из приведенных примеров, заявляемый керамический композиционный материал на основе алюмокислородной керамики, структурированной в объеме наноструктурами (нанонитями) TiN, имеет существенные преимущества перед известными аналогами, которые состоят, как показали примеры апробации, в увеличении механических прочностных свойств - увеличении предела прочности при 3-точечном изгибе, до величины 1262±20 МПа и высокие значения вязкости разрушения (9 МПа/м1/2). Апробация заявленного керамического композиционного материала, содержащего Al2O3 и дисперсную фазу (нанонити нитрида титана) показывает, что он может использоваться в машиностроении, в том числе в изготовлении элементов и узлов газотурбинных двигателей, авиационно-космической техники, теплонагруженных узлов и деталей перспективных газотурбинных установок и двигателей газо-, нефтеперекачивающих, транспортных и энергетических систем, работающих в экстремальных условиях высоких термоциклических нагрузок при температурах до 1500°C на воздухе. Заявляемый материал может успешно использоваться не только в качестве режущего инструмента, например, в металлообрабатывающей промышленности, но и заменить дорогостоящие импортные материалы в стоматологии.As can be seen from the above examples, the inventive ceramic composite material based on alumina ceramics, structured in bulk by TiN nanostructures (nanowires), has significant advantages over known analogues, which, as shown by testing, consist in increasing mechanical strength properties - increasing tensile strength at 3 point bending up to 1262 ± 20 MPa and high fracture toughness values (9 MPa / m 1/2 ). Testing of the claimed ceramic composite material containing Al 2 O 3 and the dispersed phase (titanium nitride nanowires) shows that it can be used in mechanical engineering, including the manufacture of elements and components of gas turbine engines, aerospace equipment, heat-loaded nodes and parts of promising gas turbine installations and engines of gas, oil pumping, transport and energy systems operating under extreme conditions of high thermal cyclic loads at temperatures up to 1500 ° C spirit. The inventive material can be successfully used not only as a cutting tool, for example, in the metalworking industry, but also replace expensive imported materials in dentistry.

Список использованной литературыList of references

1. Патент US 4,810,530 от 7 марта 19891. US patent 4,810,530 from March 7, 1989

2. Патент ЕР 0286127, от 19.10.19942. Patent EP 0 286 127, 10/19/1994

3. Патент ЕР 0283454 от 31.07.19913. Patent EP 0 283 454 of July 31, 1991

4. Патент RU 2447039 от 05.10.20104. Patent RU 2447039 dated 05/10/2010

5. Dong, Y.L., Xu, F.M., Shi, X.L., Zhang, Z.J., Yang, J.M., Tan, Y., Fabrication and mechanical properties of nano-/micro-sized Al2O3/SiC composites, Materials Science and Engineering A, 2009, v.504, №1-2, p.49-545. Dong, YL, Xu, FM, Shi, XL, Zhang, ZJ, Yang, JM, Tan, Y., Fabrication and mechanical properties of nano- / micro-sized Al 2 O 3 / SiC composites, Materials Science and Engineering A, 2009, v. 504, No. 1-2, p. 49-54

6. Патент CN 102219483 (Китай) от 4 май 2011 (прототип)6. Patent CN 102219483 (China) dated May 4, 2011 (prototype)

7. В.М. Смирнов, Ж. общей химии, 2002, т.72, №4, стр.5907. V.M. Smirnov, J. General Chemistry, 2002, v. 72, No. 4, p. 590

8. Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс, Композиционные материалы. Механика и технология, Москва, Техносфера, 2004, 408 с.8. F. Matthews, R. Rawlings, Composite materials. Mechanics and Technology, Moscow, Technosphere, 2004, 408 pp.

Claims (1)

Керамический композиционный материал на основе алюмокислородной матрицы и дисперсной фазы, отличающийся тем, что материал содержит, мас.%: Al2O3 - 84,1% и TiN - 15,9% с диаметром нанонитей TiN 5 нм. Ceramic composite material based on an alumina matrix and a dispersed phase, characterized in that the material contains, wt.%: Al 2 O 3 - 84.1% and TiN - 15.9% with a diameter of TiN nanowires of 5 nm.
RU2012147349/03A 2012-11-08 2012-11-08 Ceramic composite material based on aluminium-oxygenic ceramics structured by nanostructures tin RU2526453C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012147349/03A RU2526453C2 (en) 2012-11-08 2012-11-08 Ceramic composite material based on aluminium-oxygenic ceramics structured by nanostructures tin

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012147349/03A RU2526453C2 (en) 2012-11-08 2012-11-08 Ceramic composite material based on aluminium-oxygenic ceramics structured by nanostructures tin

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012147349A RU2012147349A (en) 2014-05-20
RU2526453C2 true RU2526453C2 (en) 2014-08-20

Family

ID=50695381

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012147349/03A RU2526453C2 (en) 2012-11-08 2012-11-08 Ceramic composite material based on aluminium-oxygenic ceramics structured by nanostructures tin

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2526453C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2585238C1 (en) * 2015-06-16 2016-05-27 Денис Сергеевич Жолудев Method of producing structural dental ceramics based on aluminium oxide

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0592871A1 (en) * 1992-10-12 1994-04-20 Sumitomo Electric Industries, Limited Ceramic composite material and method of manufacturing the same
US5360772A (en) * 1990-07-25 1994-11-01 Kyocera Corporation Ceramic material reinforced by the incorporation of TiC, TiCN and TiN whiskers and processes for production thereof
RU2023541C1 (en) * 1991-03-06 1994-11-30 Сандвик Актиеболагет Ceramic cutting plate and method of its production
RU2046780C1 (en) * 1993-06-15 1995-10-27 Акционерное общество закрытого типа "Суперкерамика" Method of producing ceramic material from aluminium titanate (alotnox - t)
CN102219483A (en) * 2011-05-04 2011-10-19 山东大学 Al2O3-TiN nano-composite ceramic material and preparation method thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5360772A (en) * 1990-07-25 1994-11-01 Kyocera Corporation Ceramic material reinforced by the incorporation of TiC, TiCN and TiN whiskers and processes for production thereof
RU2023541C1 (en) * 1991-03-06 1994-11-30 Сандвик Актиеболагет Ceramic cutting plate and method of its production
EP0592871A1 (en) * 1992-10-12 1994-04-20 Sumitomo Electric Industries, Limited Ceramic composite material and method of manufacturing the same
RU2046780C1 (en) * 1993-06-15 1995-10-27 Акционерное общество закрытого типа "Суперкерамика" Method of producing ceramic material from aluminium titanate (alotnox - t)
CN102219483A (en) * 2011-05-04 2011-10-19 山东大学 Al2O3-TiN nano-composite ceramic material and preparation method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2585238C1 (en) * 2015-06-16 2016-05-27 Денис Сергеевич Жолудев Method of producing structural dental ceramics based on aluminium oxide

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012147349A (en) 2014-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mohammed et al. Carbon nanotube‐reinforced aluminum matrix composites
Sarkar et al. Microstructure and physicomechanical properties of pressureless sintered multiwalled carbon nanotube/alumina nanocomposites
Padmavathi et al. Tribological behaviour of aluminium hybrid metal matrix composite
Bocanegra-Bernal et al. Spark plasma sintering of multi-, single/double-and single-walled carbon nanotube-reinforced alumina composites: is it justifiable the effort to reinforce them?
Zhao et al. Microstructure and mechanical properties of TiB2–SiC ceramic composites by reactive hot pressing
Zhang et al. HfC nanowire-toughened TaSi2–TaC–SiC–Si multiphase coating for C/C composites against oxidation
Wang et al. Fabrication of alumina ceramic reinforced with boron nitride nanotubes with improved mechanical properties
Liu et al. Microstructure and mechanical properties of ZrB2-SiC composites
Yamamoto et al. Microstructure–property relationships in pressureless-sintered carbon nanotube/alumina composites
Kasperski et al. Double-walled carbon nanotube/zirconia composites: Preparation by spark plasma sintering, electrical conductivity and mechanical properties
Liu et al. Effects of the fiber surface characteristics on the interfacial microstructure and mechanical properties of the KD SiC fiber reinforced SiC matrix composites
Nhuapeng et al. Fabrication and mechanical properties of silicon carbide nanowires/epoxy resin composites
Zheng et al. Fabrication and characterization of Sialon–Si3N4 graded nano-composite ceramic tool materials
Farahmand et al. The fabrication of Al2O3–Al FGM by SPS under different sintering temperatures: microstructural evaluation and bending behavior
Ahmad et al. Reinforcing capability of multiwall carbon nanotubes in alumina ceramic hybrid nanocomposites containing zirconium oxide nanoparticles
Misra et al. Effect of density variation and non-covalent functionalization on the compressive behavior of carbon nanotube arrays
Latifi et al. Fracture toughness determination and microstructure investigation of a B4C–NanoTiB2 composite with various volume percent of Fe and Ni additives
Wahl et al. Robocasting of reaction bonded silicon carbide/silicon carbide platelet composites
RU2526453C2 (en) Ceramic composite material based on aluminium-oxygenic ceramics structured by nanostructures tin
Yılmaz et al. The effect of in-situ formed layered hBN on the machinability and mechanical properties of SPS sintered SiC
Sarkar et al. Statistical analysis of mechanical properties of pressureless sintered multiwalled carbon nanotube/alumina nanocomposites
Weaver et al. Mechanical properties of room-temperature injection molded, pressurelessly sintered boron carbide
Tatami et al. Relationship between bending strength of bulk porous silicon carbide ceramics and grain boundary strength measured using microcantilever beam specimens
Zhao et al. Mechanical properties and toughening mechanisms of silicon carbide nano-particulate reinforced Alon composites
Ayodele et al. The influence of heating rate on the microstructural evolutions and mechanical properties of spark plasma sintered multi-walled carbon nanotubes reinforced NiAl intermetallic matrix composites