RU2627522C2 - Керамический материал на основе корунда и способ его получения - Google Patents

Керамический материал на основе корунда и способ его получения Download PDF

Info

Publication number
RU2627522C2
RU2627522C2 RU2015153904A RU2015153904A RU2627522C2 RU 2627522 C2 RU2627522 C2 RU 2627522C2 RU 2015153904 A RU2015153904 A RU 2015153904A RU 2015153904 A RU2015153904 A RU 2015153904A RU 2627522 C2 RU2627522 C2 RU 2627522C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
corundum
fullerene
hardness
grains
carbon
Prior art date
Application number
RU2015153904A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2015153904A (ru
Inventor
Олег Валерьевич Пономарев
Михаил Юрьевич Попов
Елизавета Васильевна Тюкалова
Владимир Давыдович Бланк
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ)
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 научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ)
Priority to RU2015153904A priority Critical patent/RU2627522C2/ru
Publication of RU2015153904A publication Critical patent/RU2015153904A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2627522C2 publication Critical patent/RU2627522C2/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • 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
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3217—Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
    • 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
    • C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/422—Carbon
    • 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
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5454—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof nanometer sized, i.e. 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
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • 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
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/101—Refractories from grain sized mixtures
    • C04B35/103—Refractories from grain sized mixtures containing non-oxide refractory materials, e.g. carbon
    • 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
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/111—Fine ceramics
    • C04B35/117—Composites
    • 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
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261—Milling
    • C04B35/62615—High energy or reactive ball milling
    • 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
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62802—Powder coating materials
    • C04B35/62828—Non-oxide ceramics
    • C04B35/62839—Carbon
    • 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

Abstract

Изобретение относится к способу синтеза керамического материала на основе корунда, модифицированного углеродом. Материал может быть использован для изготовления пластин для бронежилетов, а также различных компонент изделий, требующих повышенной твердости. Техническим результатом изобретения является разработка керамического материала на основе корунда с высокой твердостью, превышающей твердость монокристаллического корунда. Высокая твердость достигается за счет модификации границ зерен корунда углеродом, при этом весь углерод распределен по границам зерен. Способ синтеза включает в себя покрытие зерен корунда единичными слоями фуллерена путем обработки корунда и фуллерена в планетарной мельнице. Полученный модифицированный нанопорошок корунда со средним размером частиц 30 нм либо компактируют методом одноосного двустороннего прессования и спекают при температуре 1600-1800°С, либо осуществляют его горячее прессование при давлении 0,5-2 ГПа при температуре 1600-1800°С. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 6 пр.

Description

1. Область техники
Изобретение относится к способу получения керамического материала на основе корунда, в частности модифицированного углеродом и обладающего высокой твердостью. Материал может быть использован для изготовления пластин для бронежилетов, а также различных компонент изделий, требующих повышенной твердости.
2. Предпосылки для создания изобретения
Размер зерна материала существенно влияет на его механические свойства. На сегодняшний день существует множество доказательств того, что большой размер зерна (более 2 мкм) является причиной спонтанных микротрещин, плохих механических свойств, в частности низкой износостойкости. В связи с этим ведутся работы по снижению размера зерна в керамических материалах на основе корунда до субмикронного или нанометрового уровня.
Переход к наноразмерному состоянию увеличивает удельную поверхность материала, при этом масса материала остается неизменной, а его объем уменьшается благодаря снижению пористости. С точки зрения физико-химических процессов, которые могут происходить с материалом, возрастает удельная реакционная способность, называемая также активностью вещества. Известно, что уменьшение размера зерна снижает вероятность образования микротрещин.
Наноструктурирование также позволяет получить, например, такие материалы, как сверхрешетки, твердость которых благодаря их структуре превышает 50 ГПа.
Известно, что существенное влияние на свойства материала оказывает структура границ зерен. В литературе (Хасанов О.Л., Бикбаева З.Г. ОСОБЕННОСТИ ОБЪЕМНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, РОЛЬ ГРАНИЦ ЗЕРЕН, ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, 41 с.) граница зерен определяется как переходная область между двумя совершенными однофазными кристаллами (или зернами) с разной кристаллографической ориентацией, которые находятся в контакте друг с другом. Термин «межзеренная граница» соответствует термину «межкристаллитная граница». Поскольку «зерна» являются «кристаллами», более точным был бы термин граница». Поскольку «зерна» являются «кристаллами», более точным был бы термин «межкристаллическая граница» или «межкристаллитная граница». Граница между одинаковыми фазами называется гомофазной внутренней границей раздела, а граница между различными фазами - гетерофазной внутренней границей раздела (или межфазной границей). Таким образом, граница зерен представляет собой гомофазную внутреннюю границу раздела. Границы зерен представляют собой разупорядоченные (по сравнению с соседними зернами) двумерные дефекты, толщина которых не превышает нескольких межатомных расстояний (5-10 А). Из-за большой структурной проницаемости границ энергия активации процесса диффузии по границам зерен, как правило, существенно меньше объемной, а перенос атомов происходит на несколько порядков быстрее, чем в объеме совершенного кристалла.
Для ограничения роста зерна также можно использовать другие вещества в качестве модифицирующей добавки. Данной проблеме посвящено большое число работ, в которых сообщается о попытках получения композитов на основе корунда, имеющих улучшенные механические (твердость, трещиностойкость, износостойкость) или функциональные свойства (прозрачность или теплопроводность). В частности, известен материал (Luis A. Di'az et al. Zirconia-alumina-nanodiamond composites with gemological properties. J Nanopart Res (2014) 16:2257, полученный из смеси корунда, диоксида циркония и ультрадисперсного алмаза с помощью спекания импульсным электрическим током. Полученный материал обладает высокой трещиностойкостью (15 МПа ⋅ √м) и прочностью на изгиб (1600 МПа). Композит обладает гомогенной микроструктурой.
Недостатками данного материала являются низкая твердость (16 ГПа), которая обусловлен большим средним размером зерна (более 200 нм).
В патенте RU 2569113 С1 (приоритет от 17.11.2014) «Композиционный керамический материал и способ его получения». Композиционный керамический материал на основе синтезированных нанопорошков содержит корунд, тетрагональный диоксид циркония и гексаалюминат кальция-церия - [CeCa]Al12O19 при следующем соотношении компонентов, об. %: 63-66 - Al2O3 (корунд), 6-8 [CeCa]Al12O19 (гексаалюминат кальция-церия), остальное - тетрагональный ZrO2 (Ce-TZP). Способ его получения включает одновременное обратное осаждение из смеси одномолярных растворов оксихлорида циркония, нитратов церия, алюминия и кальция раствором аммиака в присутствии изобутанола прекурсоров нанопорошков, имеющих химический состав, мол. %: Al2O3 61-65%, ZrO2 28-34%, CeO2 4-5%, СаО 1-2%, термообработку при температуре 1050-1100°С, деагломерацию, компактирование образцов и спекание при конечной температуре 1600-1630°С, в процессе которого in situ формируется дисперсно-упрочняющая фаза гексаалюмината кальциия-церия в виде длиннопризматических зерен.
Несмотря на то, что небольшие добавки CeO2 и СаО фактически модифицируют границы зерен и улучшают спекаемость керамики, существенным недостатком данного материала является низкое значение твердости (12 ГПа).
В работе (J.S. Моуа ye et al. Strong pinning effect of alumina/nanodiamond composites obtained by pulsed electric current sintering. Journal of the European Ceramic Society 33 (2013) 2043-2048) представлен материал, полученный из корунда и наноалмаза с помощью спекания импульсным электрическим током. Наноалмаз применяют в качестве материала, заполняющего поры в спеченном образце.
Недостатком данного материала является низкая твердость (до 20 ГПа). Кроме того, наноалмаз в данной работе не является модификатором границ зерен корунда вследствие большого размера зерна (5 нм): даже в случае покрытия зерна корунда слоем наноалмаза, получают композит, состоящий из наноалмаза (или его производных) и корунда.
Из патентов JP 2010-189214, кл. С04В 35/628, опубликован 02.09.2010 и JP 2010-064945, кл. С04В 35/628, опубликован 25.03.2010 известны керамические материалы на основе корунда, в которых углеродные наночастицы (в том числе фуллерен) равномерно распределены между зернами корунда. Однако полученные материалы не обладают повышенной по отношению к монокристаллу корунда твердостью.
Наиболее близким аналогом изобретения по совокупности существенных признаков является композитный материал, состоящий из корунда со средним размером зерна 400 нм и равномерно распределенных нанотрубок с концентрацией 0,5-10 об. % (патент WO 2014/149007, кл. С04В 35/111, опубликован 25.09.2014). Для равномерного распределения нанотрубок в корунде используют суспензию нанотрубок в воде, которую смешивают с корундом. Для удаления воды из смеси используют распыление смеси при температуре жидкого азота с последующей сублимацией воды в условиях пониженного давления. Полученную смесь компактируют при давлении 100 МПа и затем спекают методом горячего прессования при давлении 30 МПа и температуре 1550°С. Недостатком полученного композитного материала является низкая твердость (18 ГПа для корунда с нанотрубками).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, нацелена на создание керамического материала на основе корунда с повышенной твердостью, превышающей твердость монокристаллического корунда.
Согласно изобретению эффект повышения твердости, превышающей твердость монокристаллического корунда, керамического материала на основе корунда достигается за счет модификации границ зерен углеродом и за счет предотвращения рекристаллизации нанозерен корунда при спекании. При этом подавление рекристаллизации обусловлено модификацией границ зерен корунда углеродом, который блокирует рекристаллизацию (рост зерна) при спекании.
Способ получения керамического материала включает в себя следующие операции: в инертной атмосфере смешивают порошок корунда и фуллерена С60 и засыпают в барабаны планетарной мельницы. Концентрацию фуллерена выбирают из условия образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен корунда после обработки в планетарной мельнице. При среднем после обработки в планетарной мельнице размере зерна 30 нм 7 об. % фуллерена как раз обеспечивают мономолекулярный слой фуллерена между зерен корунда. Соблюдение условия образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен корунда определяют следующим образом. Зерна корунда со средним размером зерна d аппроксимируют кубической формой с длиной ребра d. Мономолекулярный слой фуллерена 8 полагают равным диаметру молекулы С60, составляющему 0,7 нм. С учетом плотности фуллерена 1,72 г/см3 и корунда 4 г/см3 7 об. % фуллерена С60 соответствуют 3 вес. % фуллерена С60. С учетом того, что один слой фуллерена при компактировании керамики из порошка корунда, покрытого фуллереном, одновременно приходится и на соседние зерна (т.е. на каждое зерно приходится половина слоя), объемная концентрация kмонослоя, при которой соблюдается указанное условие образования мономолекулярного слоя между зернами, вычисляют по формуле kмонослоя=(3δ/d)×100 при условии малости толщины мономолекулярного слоя фуллерена по отношению к размеру зерна корунда. Подставляя в указанную формулу δ=0,7 нм, d=30 нм, получают kмонослоя=7 об. %, что соответствует 3 вес. % С60. Таким образом, условие образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен корунда соблюдено.
Выбор фуллерена обусловливается масштабным фактором: размер молекулы фуллерена составляет 0,7 нм, а средний размер других нанокластеров, в частности наноалмаза, в 7 раз больше - 5 нм. Таким образом, при спекании керамики толщина модифицирующего углеродного слоя, полученного из фуллерена, имеет характерную толщину порядка границы зерен и фактически оказывает влияние на их свойства, не образуя объемных 3D областей. Наноалмаз, даже в случае графитации, образует 5-нм включения углеродной фазы, в отличие от случая модификации фуллереном.
Далее в планетарной мельнице осуществляют обработку порошка корунда и фуллерена С60. Время обработки в планетарной мельнице и частоту вращения водила определяют экспериментально из условия получения требуемого среднего размера зерна порошка корунда (предпочтительно 30 нм). Затем полученный порошок компактируют методом двустороннего одноосного прессования и спекают в муфельной печи в воздушной атмосфере при температуре в интервале 1600-1800oC или осуществляют его горячее прессование при давлении в диапазоне 0,5-2 ГПа при температуре в интервале 1600-1800°С.
Предложенное техническое решение позволяет получать керамический наноструктурированный материал, имеющий твердость Н=28 ГПа, что существенно превышает твердость монокристаллического корунда в любой из кристаллографических плоскостей (23 ГПа).
Изобретение иллюстрируется 8 примерами и 5 чертежами.
В своих исследованиях авторы использовали следующие известные методики:
Для характеристики структуры полученных образцов использовали известный метод рентгеноструктурного исследования, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и комбинационного рассеяния света (КРС). Для характеристики механических свойств проводили по известным методикам измерения твердости. Твердость измеряли пирамидой Виккерса в соответствии с ГОСТ 9450-76.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена дифрактограмма порошка корунда после обработки с фуллереном в планетарной мельнице.
На Фиг. 2 представлено полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEM-2010 изображение зерна корунда, покрытого слоем фуллерена.
На Фиг. 3 представлены спектры КРС зерен корунда, покрытых слоем фуллерена.
На Фиг. 4 представлены спектры КРС, полученного в соответствии с изобретением керамического материала.
На Фиг. 5 представлено полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEM-2010 изображение зерен корунда в спеченном образце.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Примеры, подтверждающие техническое решение
Пример 1
В инертной атмосфере смешивают порошок корунда с добавлением 7 об. % порошка фуллерена С60. Полученную смесь засыпают в барабаны и осуществляют обработку в планетарной мельнице АГО 2У со следующими параметрами: время обработки - 30 минут, рабочая частота водила - 550 об/мин. На фиг. 2 представлено полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEM-2010 изображение зерна корунда, покрытого слоем фуллерена. То, что наблюдаемые сферические углеродные образования на поверхности корунда являются молекулами С60, подтверждают спектры КРС, представленные на фиг. 3: на спектрах Al2O3+С60 присутствуют основные линии фуллерена. Существенно, что в образце нет дифракции от каких-либо фуллеритовых фаз, что свидетельствует о том, что спектры КРС соответствуют только слоям С60, не образующим кристаллической решетки на поверхности зерен корунда.
Средний размер зерна корунда определяют по данным рентгеновской дифракции методом Холла-Вильямсона [G.K. Williamson and W.H Hall. Acta Metallurgica 1, 1953, 22-31]. Средний размер зерна составляет 30 нм.
Соблюдение условия образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен корунда определяют следующим образом. Зерна корунда со средним размером d аппроксимируют кубической формой с длиной ребра d. Мономолекулярный слой фуллерена 6 равен диаметру молекулы С60, составляющий 0,7 нм. С учетом того, что один слой фуллерена при компактировании керамики из порошка корунда, покрытого фуллереном, одновременно приходится и на соседние зерна (т.е. на каждое зерно приходится половина слоя), объемная концентрация kмономлоя, при которой соблюдается указанное условие образования мономолекулярного слоя между зернами, вычисляют по формуле kмонослоя=(3δ/d)×100 при условии малости толщины мономолекулярного слоя фуллерена по отношению к размеру зерна корунда. Подставляя в указанную формулу δ=0,7 нм, d=30 нм, получаем kмонослоя=7 об. %, что соответствует 3 вес. % С60. Таким образом, условие образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен корунда соблюдено.
Полученный материал компактируют методом двустороннего одноосного прессования и спекают в муфельной печи в воздушной атмосфере при температуре 1650°С в течение 30 минут. При спекании фуллерен трансформировался в аморфный углерод: на спектрах КРС видны только т.н. D и G пики (фиг. 4). Исследование полученного образца проводилось также с помощью ПЭМ. Благодаря наличию углерода по границам зерен корунда рекристаллизации материала не происходит. По изображению видно, что весь углерод сосредоточен по границам зерен и не образует отдельной фазы (фиг. 5).
Твердость полученного образца измеряют пирамидой Виккерса в соответствии с ГОСТ 9450-76.
В результате полученный материал обладает следующими характеристиками: твердость Н=28 ГПа.
В тех же условиях проводят испытание монокристаллического образца корунда в кристаллографических плоскостях (0001), (101-0), (112-0), 101-2). Полученные значения твердости не превышают 23 ГПа.
Таким образом, полученный образец керамического материала превышает по твердости монокристалл корунда.
Пример 2
В инертной атмосфере смешивают корунд с добавлением 2 об. % фуллерена С60. Дальнейшие операции проводят аналогично примеру 1. В результате полученный материал обладает следующими характеристиками:
Средний размер зерна составляет 30 нм.
Условие образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен корунда не соблюдено (концентрация фуллерена меньше требуемой для образования мономолекулярного слоя в 3 раза)
Твердость Н=24 ГПа.
Таким образом, полученный образец керамического материала сравним по твердости с монокристаллом корунда.
Пример 3
В инертной атмосфере смешивают корунд с добавлением 12 об. % фуллерена С60. Дальнейшие операции проводят аналогично примеру 1. В результате полученный материал обладает следующими характеристиками:
Средний размер зерна составляет 30 нм.
Условие образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен корунда не соблюдено (концентрация фуллерена больше требуемой в 1,6 раза)
Твердость Н=24 ГПа.
Таким образом, полученный образец керамического материала сравним по твердости с монокристаллом корунда.
Пример 4
Изготовляют несколько образцов. Для этого в инертной атмосфере смешивают корунд с добавлением 7 об. % фуллерена С60. Полученную смесь засыпают в барабаны и осуществляют обработку в планетарной мельнице АГО 2У со следующими параметрами: время обработки - 30 минут, рабочая частота водила - 550 об/мин.
Средний размер зерна корунда определяют аналогично примеру 1. Средний размер зерна составляет 30 нм. Аналогично примеру 1, для данной концентрации и полученного размера, условие образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен корунда соблюдено.
Полученный материал компактируют методом двустороннего одноосного прессования и спекают в муфельной печи в воздушной атмосфере при температурах 1600, 1700 и 1800°С в течение 30 мин. Полученный материал обладает следующими характеристиками: твердость Н находится в диапазоне 26-28 ГПа.
Таким образом, полученный образец керамического материала превышает по твердости монокристалл корунда.
Пример 5
Изготовливают несколько образцов. Для этого в инертной атмосфере смешивают корунд с добавлением 7 об. % фуллерена С60. Полученную смесь засыпают в барабаны и осуществляют обработку в планетарной мельнице АГО 2У со следующими параметрами: время обработки - 30 минут, рабочая частота водила - 550 об/мин.
Средний размер зерна корунда определяют аналогично примеру 1. Средний размер зерна составляет 30 нм. Аналогично примеру 1, для данной концентрации и полученного размера, условие образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен корунда соблюдено.
Полученную смесь засыпают в барабаны и осуществляют обработку в планетарной мельнице со следующими параметрами: время обработки - 30 минут, рабочая частота водила - 550 об/мин. Полученный материал подвергают горячему прессованию при давлениях 0,5 1 и 2 ГПа при температуре интервале 1650°С
Полученный материал обладает следующими характеристиками: твердость Н находится в диапазоне 26-28 ГПа. Таким образом, полученный образец керамического материала превышает по твердости монокристалл корунда.
Пример 6
В инертной атмосфере смешивают корунд с добавлением 11 об. % фуллерена С60. Полученную смесь засыпают в барабаны и осуществляют обработку в планетарной мельнице АГО 2У со следующими параметрами: время обработки - 30 минут, рабочая частота водила - 1000 об/мин.
Средний размер зерна корунда определяют аналогично примеру 1. Средний размер зерна составляет 20 нм. Аналогично примеру 1, для данной концентрации и полученного размера, условие образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен корунда соблюдено.
Полученный материал компактируют методом двустороннего одноосного прессования и спекают в муфельной печи в воздушной атмосфере при температуре 1650°С в течение 30 минут. В результате полученный материал обладает следующими характеристиками: твердость Н=28 ГПа.
Таким образом, полученный образец керамического материала превышает по твердости монокристалл корунда.

Claims (2)

1. Способ получения керамического материала на основе корунда путем спекания порошков корунда и углерода, отличающийся тем, что в качестве углерода используют фуллерен, порошок корунда измельчают с одновременным покрытием зерен корунда слоем фуллерена путем обработки порошка корунда и фуллерена в планетарной мельнице, при этом концентрацию фуллерена определяют из условия образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен корунда, получаемых в результате вышеуказанной обработки корунда и фуллерена в планетарной мельнице, затем полученный порошок корунда с фуллереном компактируют методом двустороннего одноосного прессования и спекают при температуре в интервале 1600-1800°С или спекают методом горячего прессования при давлении в диапазоне 0,5-2 ГПа при температуре в интервале 1600-1800°С.
2. Керамический материал на основе корунда, полученный способом по п. 1, отличающийся тем, что границы зерен корунда модифицированы углеродом, средний размер зерна корунда меньше 30 нм и материал обладает твердостью, превышающей твердость монокристаллического корунда.
RU2015153904A 2015-12-16 2015-12-16 Керамический материал на основе корунда и способ его получения RU2627522C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015153904A RU2627522C2 (ru) 2015-12-16 2015-12-16 Керамический материал на основе корунда и способ его получения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015153904A RU2627522C2 (ru) 2015-12-16 2015-12-16 Керамический материал на основе корунда и способ его получения

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015153904A RU2015153904A (ru) 2017-06-21
RU2627522C2 true RU2627522C2 (ru) 2017-08-08

Family

ID=59240303

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015153904A RU2627522C2 (ru) 2015-12-16 2015-12-16 Керамический материал на основе корунда и способ его получения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2627522C2 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU130681A1 (ru) * 1959-12-02 1960-11-30 П.П. Калитин Минерало-керамический сплав из глинозема
WO2004077521A2 (en) * 2003-02-26 2004-09-10 The Regents Of The University Of California Ceramic materials reinforced with single-wall carbon nanotubes as electrical conductors
JP2010064945A (ja) * 2008-09-12 2010-03-25 Toyohashi Univ Of Technology セラミック複合粒子の製造法および機能性セラミック複合材料
JP2010189214A (ja) * 2009-02-17 2010-09-02 Hokkaido Univ セラミックス焼結体およびその製造方法
US20130338292A1 (en) * 2011-03-23 2013-12-19 Taimei Chemicals Co., Ltd. Alumina composite, method for manufacturing alumina composite, and polymer composition containing alumina composite
WO2014149007A1 (en) * 2013-03-18 2014-09-25 Ustav Anorganickej Chemie Sav Composite material with a homogeneous distribution of carbon nanotubes and a method for production of thereof j

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU130681A1 (ru) * 1959-12-02 1960-11-30 П.П. Калитин Минерало-керамический сплав из глинозема
WO2004077521A2 (en) * 2003-02-26 2004-09-10 The Regents Of The University Of California Ceramic materials reinforced with single-wall carbon nanotubes as electrical conductors
JP2010064945A (ja) * 2008-09-12 2010-03-25 Toyohashi Univ Of Technology セラミック複合粒子の製造法および機能性セラミック複合材料
JP2010189214A (ja) * 2009-02-17 2010-09-02 Hokkaido Univ セラミックス焼結体およびその製造方法
US20130338292A1 (en) * 2011-03-23 2013-12-19 Taimei Chemicals Co., Ltd. Alumina composite, method for manufacturing alumina composite, and polymer composition containing alumina composite
WO2014149007A1 (en) * 2013-03-18 2014-09-25 Ustav Anorganickej Chemie Sav Composite material with a homogeneous distribution of carbon nanotubes and a method for production of thereof j

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015153904A (ru) 2017-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Qiu et al. Synthesis, processing and characterization of nanocrystalline titanium dioxide
ES2663687T3 (es) Procedimiento para la producción de materiales compuestos cerámicos de grafeno/carburo de silicio
Sakthivel et al. Engineering of nanoscale defect patterns in CeO 2 nanorods via ex situ and in situ annealing
Dargatz et al. FAST/SPS sintering of nanocrystalline zinc oxide—Part II: Abnormal grain growth, texture and grain anisotropy
Najafi et al. Influence of pH and temperature parameters on the sol-gel synthesis process of meso porous ZrC nanopowder
Furlan et al. Highly porous α-Al2O3 ceramics obtained by sintering atomic layer deposited inverse opals
Vasudevan et al. Effect of microwave sintering on the structural and densification behavior of sol–gel derived zirconia toughened alumina (ZTA) nanocomposites
Gangwar et al. Microstructure, phase formations and optical bands in nanostructured alumina
Zhang et al. Related mechanism of transparency in MgAl2O4 nano-ceramics prepared by sintering under high pressure and low temperature
Chen et al. Rapid and uniform in-situ solidification of alumina suspension via a non-contamination DCC-HVCI method using MgO sintering additive as coagulating agent
Yu et al. Sintering behavior of spark plasma sintered SiC with Si-SiC composite nanoparticles prepared by thermal DC plasma process
Dedova et al. The study on thermal expansion of ceramic composites with addition of ZrW2O8
Shen et al. Ordered coalescence of nanocrystals: a path to strong macroporous nanoceramics
Miao et al. Synthesis and application of titania-coated ultrafine diamond abrasive particles
Dadkhah et al. Investigating the physical properties of sintered alumina in the presence of MgO nanopowder
RU2627522C2 (ru) Керамический материал на основе корунда и способ его получения
Ben-Arfa et al. The influence of processing parameters on morphology and granulometry of a wet-milled sol-gel glass powder
Rodaev et al. Spherical engineering Ca-TZP ceramics made from baddeleyite: fabrication, structure and mechanical properties
Zhao et al. Microstructure and grain growth mechanism of corundum abrasive with La2O3–TiO2–SiO2 composite additives
Zych et al. Filter pressing and sintering of a zirconia nanopowder
Moetakef et al. Synthesis of pyrochlore free PMN–PZT ceramics via a seeding method
Khajelakzay et al. Synthesis and spark plasma sintering of the α-Si3N4 nanopowder
Porozova et al. Influence of matrix replacement on consolidation processes of composite ceramic materials of ZrO 2-Al 2 O 3 system
Poterala et al. Low-field dynamic magnetic alignment and templated grain growth of diamagnetic PMN–PT ceramics
Chrunik et al. The Influence of Microstructure and Lattice Strain on Tetragonality Factor and Dielectric Properties of Ferroelectric Ceramics BaTiO_3

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200116

Effective date: 20200116