RU2614006C1 - Способ получения нанокерамики методом совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания - Google Patents

Способ получения нанокерамики методом совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания Download PDF

Info

Publication number
RU2614006C1
RU2614006C1 RU2015153459A RU2015153459A RU2614006C1 RU 2614006 C1 RU2614006 C1 RU 2614006C1 RU 2015153459 A RU2015153459 A RU 2015153459A RU 2015153459 A RU2015153459 A RU 2015153459A RU 2614006 C1 RU2614006 C1 RU 2614006C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sintering
synthesis
spark plasma
minutes
chamber
Prior art date
Application number
RU2015153459A
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Олегович Московских
Александр Сергеевич Рогачев
Александр Сергеевич Мукасьян
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
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 автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority to RU2015153459A priority Critical patent/RU2614006C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2614006C1 publication Critical patent/RU2614006C1/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3817—Carbides
    • C04B2235/3821—Boron carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3817—Carbides
    • C04B2235/3826—Silicon carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C04B2235/6581—Total pressure below 1 atmosphere, e.g. vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/78—Grain sizes and shapes, product microstructures, e.g. acicular grains, equiaxed grains, platelet-structures
    • C04B2235/781—Nanograined materials, i.e. having grain sizes below 100 nm
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/563—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on boron carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • C04B35/573—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide obtained by reaction sintering or recrystallisation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • C04B35/575—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide obtained by pressure sintering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C04B35/645—Pressure sintering

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области керамического материаловедения, в частности к технологии получения нанокерамики. Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат, исключение применения различных активаторов спекания, повышение физико-механических свойств получаемого материала. Способ получения керамических материалов включает размол и высокоэнергетическое перемешивание исходных реагентов в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице мелющими шарами в атмосфере аргона и последующий одновременный синтез-спекание реакционной смеси Si/C, или B/C или Si/B/C. Размол и перемешивание проводят при соотношении массы шаров и исходных порошков (20:1)-(40:1), при скорости вращения шаровой мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки до 15 минут, а процесс совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания (СВС+ИПС), т.е. одновременный синтез-спекание реакционной смеси, осуществляют на установке искрового плазменного спекания, для этого реакционную смесь помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000-5000 А под нагрузкой до 50-90 МПа. Продолжительность процесса 5-10 минут. 4 пр., 2 ил.

Description

Изобретение относится к области керамического материаловедения, в частности к технологии получения нанокерамики. Для получения изделий с высокими механическими свойствами при повышенных температурах необходимо создание беспористых нанокристаллических материалов. Свойства нанокерамики могут значительно отличаться от характеристик традиционной керамики с зерном микронного размера, а характер изменения свойств с размером зерна индивидуален и зависит как от физической природы исследуемого свойства, так и от физико-химических особенностей используемой керамики.
Основной проблемой получения беспористой нанокерамики является то, что в качестве исходных компонентов необходимо использовать высокочистые нано- или субмикронные порошки, и при дальнейшей консолидации отказаться от активаторов спекания для достижения высоких механических свойств при повышенных температурах.
При изготовлении указанных материалов необходимо получить беспористую нанокерамику с сохранением исходного размера спекаемых частиц. Это позволит получить высокие физико-механические свойства. Например, для карбида кремния (SiC) твердость выше 25-30 ГПа, трещиностойкость выше 4-6 МПа⋅м1/2.
Разработка нанокерамики с перечисленными свойствами является актуальной задачей. Высокие значения твердости, трещиностойкости и отсутствие активаторов спекания необходимы для обеспечения повышенных нагрузок в условиях эксплуатации при повышенных температурах.
Известен способ изготовления керамических изделий, работающих при высоких температурах в агрессивных и абразивных средах, а также в условиях ударно-динамического воздействия. Керамический материал содержит, мас.%: MgO 0,7-1,4, Y2O3 4,1-8,2, Al2O3 5,2-10,4, SiC - остальное, при этом оксиды находятся в строго эвтектическом соотношении в соответствии с диаграммой состояния тройной системы Al2O3-Y2O3-MgO по разрезу гранат-шпинель, что определяет температуру плавления оксидной фазы, равную 1770±5°С. Способ изготовления керамического материала включает приготовление гомогенной шихты из микропорошков карбида кремния, оксидов магния, иттрия и алюминия с добавлением связующего, формование заготовки, сушку и спекание при температуре 1840-1880°С, преимущественно при 1860°С, с выдержкой при указанной температуре в течение 60±5 мин (RU 2402507, С04В 35/573, 27.10.2010).
Недостатком известного способа является длительность процесса спекания (60 мин), наличие активаторов спекания (оксидные добавки), относительная плотность ниже 99,9%.
Известен спеченный керамический материал и метод его изготовления по патенту Японии. Материал содержит в качестве основы карбид кремния (SiC) с добавлением оксидов алюминия (Al2O3) и иттрия (Y2O3). Для спекания применяют горячее прессование.
Недостатком известного способа является наличие активаторов спекания Al2O3 и Y2O3, которые ограничивают условия эксплуатации изделий (JP 4367563, С04В 35/10; С04В 35/565, 18.12.1992).
Известен способ получения карбидокремниевой керамики из нанопорошка SiC. Способ включает стадию холодного формирования заготовки и последующее флеш-спекание (модификация искрового плазменного спекания) при температуре и давлении прессования, которые обеспечивают относительную плотность не ниже 97% и не способствуют значительному росту зерна SiC (WO/2010/007170, С04В 35/575, С04В 35/565, С04В 35/626, С04В 35/64, С04В 35/645, 21.01.2010).
Недостатком способа является необходимость приобретения или предварительного синтеза нанопорошка карбида кремния, это означает наличие отдельной стадии его формования.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ получения наноструктурированных материалов FeAl, MoSi2 и других. Способ включает приготовление реакционных смесей в планетарно-шаровой мельнице (1-6 часов). Процесс одновременного синтез-спекания происходит на установке с прямым пропусканием электрического тока за счет Джоулева нагрева. (US 6200515 (B1), B22F 1/00, B22F 3/23, С04В 35/58, С04В 35/622, С04В 35/64, С04В 35/645, Н05В 3/00, B22F 3/14, Н05В 6/00, 13.03.2001).
Недостатком известного способа является общая продолжительность подготовки реакционных смесей (1-6 часов). Совмещение процессов СВС и спекания осуществляется в установке с постоянным линейным током, который в отличие от искрового плазменного спекания не обеспечивает разрушения оксидных пленок на поверхности реагирующих порошков. Воздействие импульсами создает искровые-плазменные разряды, которые разрушают оксидные пленки и образует участки на поверхности частиц, по которым происходит дальнейшее контактное соединение между частицами.
Задачей изобретения является создание нового энергоэффективного инновационного способа получения нанокерамических материалов путем сочетания методов высокоэнергетической механической обработки (ВЭМО) или механической активации (МА) исходных порошков в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице и совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания (СВС+ИПС), т.е. одновременного синтез-спекания реакционной смеси.
Техническим результатом предлагаемого изобретения в части способа является его упрощение, позволяющее снизить энергозатраты, исключить применение различных активаторов спекания, в части материала - повышение его физико-механических свойств и возможность эксплуатации при повышенных температурах.
Технический результат достигается следующим образом.
Способ получения нанокерамики включает размол и высокоэнергетическое перемешивание исходных реагентов в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице мелющими шарами в атмосфере аргона и последующий процесс совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания реакционной нанокомпозиционной смеси Si/C, или В/С, или Si-B-C, при этом одновременный размол и перемешивание проводят при соотношении массы шаров и исходных порошков (20:1)-(40:1), при скорости вращения шаровой мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки до 15 минут, а одновременный синтез-спекание активированной смеси порошков осуществляют методом искрового плазменного спекания, для этого реакционную смесь помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000-5000 А под нагрузкой 50-90 МПа и при температуре не выше 2000°С, продолжительность процесса 5-10 минут.
Изобретение подтверждается фиг. 1 и 2, где фиг. 1 – это зависимость напряжения, силы тока и температуры от продолжительности ИПС, проводимого при температуре спекания 2000°С, нагрузке 50 МПа, выдержке 10 мин и скорости нагрева 200°С/мин, фиг. 2 - микроструктура и излом нанокерамики, полученной данным способом.
В качестве основных исходных компонентов для нанокерамики SiC используются порошки кремния (≤63 мкм), полученные размолом монокристаллов КЭФ-4.5 (ГОСТ 19658-81) и сажи П804Т (ТУ 38-1154-88), для керамики В4С используется бор Б-99А (ТУ 1-92-154-90).
Размол и перемешивание смеси исходных реагентов проводят в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице «Активатор-2S» мелющими стальными шарами. Этот первый этап способа принято обозначать как ВЭМО.
После ВЭМО исходных порошков в мельнице «Активатор-2S» полученные реакционные нанокомпозиционные смеси Si/C, В/С и другие одновременно синтезируют/спекают на установке ИПС (Spark Plasma Sintering - Labox 650, SinterLand, Япония), второй этап способа.
Метод ИПС использует импульсы постоянного электрического тока, проходящего через графитовую матрицу, в которой находится образец. Процесс состоит, по существу, из совместного воздействия температуры, осевого давления и электрического тока в присутствии электромагнитного поля (плазмы). Высокие локальные температуры между частицами испаряют загрязняющие вещества и оксиды на поверхности частиц до образования перемычки. Именно этот эффект с одновременным приложением осевого давления позволяет значительно снизить температуру спекания и продолжительность процесса, что в свою очередь способствует значительному уменьшению скорости роста зерна, в отличие от спекания без нагрузки или горячего прессования.
Сущность способа заключается в следующем.
Смесь исходных порошков загружают в барабаны мельницы «Активатор 2S», затем барабаны плотно закрываются. Клапан на крышке подсоединяется к вакуумному шлангу и производится вакуумирование барабана с помощью форвакуумного насоса до остаточного давления 0,01 Па. Через этот же клапан барабан заполняется инертным газом (аргоном) до 0,5 МПа. После этого барабан отсоединяется от вакуумного шланга и устанавливается в рабочую камеру мельницы.
ВЭМО порошковых смесей проводят при скорости вращения барабанов 694-900 об/мин и продолжительности активации не более 15 минут.
Затем полученные реакционные нанокомпозиционные смеси Si/C, В/С и другие синтезируют/спекают на установке ИПС (Spark Plasma Sintering - Labox 650, SinterLand, Япония), второй этап способа.
Для проведения ИПС готовят навески реакционных порошковых смесей, далее смесь помещают в графитовую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают постоянный импульсный электрический ток 1000-5000 А.
За счет Джоулева нагрева происходит синтез порошка, т.е. инициируется реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. В момент синтеза прикладывается нагрузка (50-90 МПа) для спекания полученного порошка. Спекание осуществляют при температуре не выше 2000°С в течение не более 10 минут. Скорость нагрева до температуры синтеза/спекания составляет 100-600°С/мин. Короткие импульсы тока высокой энергии порождают искры на поверхности спекаемых частиц, благодаря этому нагрев образца производится равномерно, при минимальном воздействии на микроструктуру. После чего образец охлаждают до комнатной температуры и отделяют от пуансонов механическим способом.
Контроль качества образцов проводится на каждом технологическом этапе и осуществляется как визуальным осмотром, так и с использованием аппаратурных методик.
В комплексном исследовании микроструктуры и фазового состава были использованы методы порошковой рентгеновской дифракции (рентгеноструктурный анализ), растровой (сканирующей) электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, дифракции электронов и другие. Для керамических материалов осуществляется также контроль прочностных характеристик, пористости и микроструктуры.
Сущность способа подтверждается примерами.
Пример 1
Получение нанокерамики SiC.
Порошки Si и С смешивают со средним атомным соотношением между реагентами 1:1 (70 мас.% Si и 30 мас.% С). Приготовленную реакционную смесь подвергают ВЭМО (измельчению и перемешиванию) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 694 об/мин. Соотношение массы шаров и смеси порошка составляет 20:1. Использовались стальные шары 6 мм в диаметре. Время обработки 10 минут.
Полученный реакционный нанокомпозиционный порошок подвергают ИПС, для этого порошок помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000 А. За счет Джоулева нагрева происходит синтез порошка, т.е. инициируется реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (~1200°С).
В момент синтеза (фиг. 2) прикладывается нагрузка (50 МПа) для спекания полученного порошка. Спекание осуществляют при температуре 1800°С в течение 10 минут. Скорость нагрева до температуры синтеза/спекания составляет 200°С/мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-50 мм и толщиной 2-10 мм.
Микроструктура и излом SiC керамики показаны на фиг. 2а-б.
Пример 2
Получение нанокерамики В4С.
Порошки В и С смешивают со средним атомным соотношением между реагентами 4:1 (78 мас.% B и 22 мас.% С). Приготовленную реакционную смесь подвергают ВЭМО (измельчению и перемешиванию) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 694 об/мин. Соотношение массы шаров и смеси порошка составляет 20:1. Использовались стальные шары 6 мм в диаметре. Время обработки 15 минут.
Полученный реакционный нанокомпозиционный порошок подвергают ИПС, для этого порошок помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 5000 А. За счет Джоулева нагрева происходит синтез порошка, т.е. инициируется реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (~1500°С). В момент синтеза прикладывается нагрузка (50 МПа) для спекания полученного порошка. Спекание осуществляют при температуре 1950°С в течение 10 минут. Скорость нагрева до температуры синтеза/спекания составляет 400°С/мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-50 мм и толщиной 2-10 мм.
Микроструктура и излом В4С керамики схожи с микроструктурой и изломом по примеру 1.
Пример 3
Получение нанокерамики SiC-B4C.
Порошки Si, С и В смешивают на получение керамики SiC (90%)-В4С (10%) (63 мас.% Si, 7,8 мас.% В и 29,2 мас.% С). Приготовленную реакционную смесь подвергают ВЭМО (измельчению и перемешиванию) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 694 об/мин. Соотношение массы шаров и смеси порошка составляет 20:1. Использовались стальные шары 6 мм в диаметре. Время обработки 10 минут.
Полученный реакционный нанокомпозиционный порошок подвергают ИПС, для этого порошок помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 2500 А. За счет Джоулева нагрева происходит синтез порошка, т.е. инициируется реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (~1200°С).
В момент синтеза прикладывается нагрузка (50 МПа) для спекания полученного порошка. Спекание осуществляют при температуре 1800°С в течение 10 минут. Скорость нагрева до температуры синтеза/спекания составляет 200°С/мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-50 мм и толщиной 2-10 мм.
Микроструктура и излом SiC-B4C керамики схожи с микроструктурой и изломом по примеру 1.
Пример 4
Получение нанокерамики В4С.
Порошки В и С смешивают со средним атомным соотношением между реагентами 4:1 (78 мас.% B и 22 мас.% С). Приготовленную реакционную смесь подвергают ВЭМО (измельчению и перемешиванию) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 900 об/мин. Соотношение массы шаров и смеси порошка составляет 40:1. Использовались стальные шары 6 мм в диаметре. Время обработки 5 минут.
Полученный реакционный нанокомпозиционный порошок подвергают ИПС, для этого порошок помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 2500 А. За счет Джоулева нагрева происходит синтез порошка, т.е. инициируется реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (~1500°С). В момент синтеза прикладывается нагрузка (50 МПа) для спекания полученного порошка. Спекание осуществляют при температуре 1950°С в течение 5 минут. Скорость нагрева до температуры синтеза/спекания составляет 200°С/мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-50 мм и толщиной 2-10 мм.

Claims (1)

  1. Способ получения нанокерамики, включающий размол и высокоэнергетическое перемешивание исходных реагентов в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице мелющими шарами в атмосфере аргона и последующий процесс совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания реакционной нанокомпозиционной смеси Si/C, или В/С, или Si/B/C, при этом одновременный размол и перемешивание проводят при соотношении массы шаров и исходных порошков (20:1)-(40:1), при скорости вращения шаровой мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки до 15 минут, а одновременный синтез-спекание активированной смеси порошков осуществляют методом искрового плазменного спекания, для этого реакционную смесь помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000-5000 А под нагрузкой 50-90 МПа и при температуре не выше 2000°С, продолжительность процесса 5-10 минут.
RU2015153459A 2015-12-14 2015-12-14 Способ получения нанокерамики методом совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания RU2614006C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015153459A RU2614006C1 (ru) 2015-12-14 2015-12-14 Способ получения нанокерамики методом совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015153459A RU2614006C1 (ru) 2015-12-14 2015-12-14 Способ получения нанокерамики методом совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2614006C1 true RU2614006C1 (ru) 2017-03-22

Family

ID=58453283

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015153459A RU2614006C1 (ru) 2015-12-14 2015-12-14 Способ получения нанокерамики методом совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2614006C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2704777C2 (ru) * 2017-11-27 2019-10-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Дагестанский федеральный исследовательский центр Российской академии наук" Способ изготовления керамических изделий из порошка
RU2729277C1 (ru) * 2019-12-24 2020-08-05 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Способ получения сверхвысокотемпературного керамического материала на основе карбонитрида гафния

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6200515B1 (en) * 1999-08-13 2001-03-13 Centre National De La Recherche Scientifique One-step synthesis and consolidation of nanophase materials
FR2906242A1 (fr) * 2006-09-27 2008-03-28 Commissariat Energie Atomique Procede d'assemblage de pieces en ceramique refractaire par frittage a chaud avec champ electrique pulse ("sps")
RU2493937C1 (ru) * 2012-07-20 2013-09-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Способ получения нанопорошка карбида кремния
EP2021302B1 (en) * 2006-04-10 2013-10-30 Universita Degli Studi Di Cagliari Process for the preparation of dense ultra-high-temperature composite products
RU2556599C1 (ru) * 2014-04-02 2015-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) Способ получения наноструктурированной карбидокремниевой керамики

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6200515B1 (en) * 1999-08-13 2001-03-13 Centre National De La Recherche Scientifique One-step synthesis and consolidation of nanophase materials
EP2021302B1 (en) * 2006-04-10 2013-10-30 Universita Degli Studi Di Cagliari Process for the preparation of dense ultra-high-temperature composite products
FR2906242A1 (fr) * 2006-09-27 2008-03-28 Commissariat Energie Atomique Procede d'assemblage de pieces en ceramique refractaire par frittage a chaud avec champ electrique pulse ("sps")
RU2493937C1 (ru) * 2012-07-20 2013-09-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Способ получения нанопорошка карбида кремния
RU2556599C1 (ru) * 2014-04-02 2015-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) Способ получения наноструктурированной карбидокремниевой керамики

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ORRY R. et al "Comparison of Reactive and Non-reacteve Spark Plasma Sintering Routes for the Fabrication of Monolithic and Composite Ultra High Temperature Ceramics (UHTC) Materials", Materials, 2013, N6, p.1566-1583. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2704777C2 (ru) * 2017-11-27 2019-10-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Дагестанский федеральный исследовательский центр Российской академии наук" Способ изготовления керамических изделий из порошка
RU2729277C1 (ru) * 2019-12-24 2020-08-05 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Способ получения сверхвысокотемпературного керамического материала на основе карбонитрида гафния
WO2021133226A1 (en) * 2019-12-24 2021-07-01 National University of Science and Technology “MISIS” Method for fabrication of ultra-high-temperature ceramic material based on hafnium carbide and carbonitride
CN115151358A (zh) * 2019-12-24 2022-10-04 俄罗斯国立科技大学莫斯科钢铁合金研究所 基于碳化铪和碳氮化铪的超高温陶瓷材料的制造方法
CN115151358B (zh) * 2019-12-24 2024-05-24 俄罗斯国立科技大学莫斯科钢铁合金研究所 基于碳化铪和碳氮化铪的超高温陶瓷材料的制造方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gupta et al. Spark plasma sintering of novel ZrB2–SiC–TiSi2 composites with better mechanical properties
JP6344844B2 (ja) 炭化ホウ素／ホウ化チタンコンポジットセラミックス及びその作製法
US20090082191A1 (en) Boron carbide ceramic and manufacturing method thereof
JP2008133160A (ja) 炭化硼素質焼結体およびその製造方法
Perevislov et al. Effect of Si additions on the microstructure and mechanical properties of hot-pressed B 4 C
Zhang et al. Microstructures and mechanical properties of spark plasma sintered Al–SiC composites containing high volume fraction of SiC
Yaşar et al. Improving fracture toughness of B4C–SiC composites by TiB2 addition
Nekouee et al. Sintering behavior and mechanical properties of spark plasma sintered β–SiAlON/TiN nanocomposites
JP2016084246A (ja) 焼結体
RU2614006C1 (ru) Способ получения нанокерамики методом совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания
Zhao et al. Microstructural development and mechanical properties of reactive hot pressed nickel-aided TiB2-SiC ceramics
Toksoy et al. Densification and characterization of rapid carbothermal synthesized boron carbide
Miao et al. A novel in situ synthesis of SiBCN-Zr composites prepared by a sol–gel process and spark plasma sintering
Cao et al. Microstructure, mechanical, and thermal properties of B4C-TiB2-SiC composites prepared by reactive hot-pressing
Lin et al. Fabrication and properties of in-situ pressureless-sintered ZrB2/B4C composites
Cao et al. In situ synthesis of TiB/Ti6Al4V composites reinforced with nano TiB through SPS
RU2729277C1 (ru) Способ получения сверхвысокотемпературного керамического материала на основе карбонитрида гафния
WO2020133585A1 (zh) 一种过渡金属硼化物硬质材料及其制备方法
JP7414300B2 (ja) ホウ化ジルコニウム／炭化ホウ素コンポジット及びその製造方法
Jach et al. Application of ceramic preforms to the manufacturing of ceramic-metal composites
Huang et al. Refinement of TiB2 powders with high-speed planetary mill and its effect on TiB2 sinterability
Apak et al. B₄C-CNT Produced by Spark Plasma Sintering
JP2010095393A (ja) 耐食性に優れたセラミックス製熱処理用部材およびその製造方法
Kachenyuk et al. A study of the wear resistance of a TiC–SiC composite ceramic material prepared by spark plasma sintering
Michalski et al. Synthesis and characterization of cBN/WCCo composites obtained by the pulse plasma sintering (PPS) method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201215