RU2767111C1

RU2767111C1 - Method for producing a composite material, primarily, of a splitter for a sparging unit

Info

Publication number: RU2767111C1
Application number: RU2020127994A
Authority: RU
Inventors: Александр Андреевич Ситников; Владимир Иванович Яковлев; Алексей Викторович Собачкин; Кристина Алексеевна Щербакова; Андрей Юрьевич Мясников
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-03-16

Abstract

FIELD: composite materials.

SUBSTANCE: method for producing a composite material, primarily, of a splitter for a sparging unit, is intended for use in the field of powder metallurgy in production of composite materials by the method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS), primarily, of splitters of sparging units, for preparing organic fertilisers in agriculture. The method for producing a composite material consisting of silicon and aluminium oxide includes preparation of a reaction mixture of powders of the initial components, containing aluminium powder and silicon oxide powder, and initiation of the process of self-propagating high-temperature synthesis. The reaction mixture is prepared by mechanical activation of the mixture of powders of the initial components, containing 40 wt.% of aluminium and 60 wt.% of silicon oxide, in a ball mill in an inert atmosphere, resulting in production of a mechanically activated exothermic mixture. Polyvinyl acetate is then added to the mechanically activated exothermic mixture and held until solidification. The process of self-propagating high-temperature synthesis is initiated by heating said solidified mixture in a muffle furnace under an air pressure of 0.1 MPa to a temperature of 1,000 to 1,100°C. Holding is executed at the specified temperature for a period of time corresponding to formation of silicon and aluminium oxide and amounting to 20 to 22 minutes.

EFFECT: production of a homogeneous composite material, primarily, of splitters for sparging plants with uniform distribution of the reaction products of aluminium oxide and silicon throughout the product is ensured.

2 cl

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при производстве композиционных материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), преимущественно рассекателей барботационных установок для приготовления органических удобрений в сельском хозяйстве.The invention relates to the field of powder metallurgy and can be used in the production of composite materials by the method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS), mainly dividers of bubbling installations for the preparation of organic fertilizers in agriculture.

Известен способ получения композиционного керамического материала на основе нитрида кремния, включающий приготовление реакционной смеси порошков исходных компонентов, содержащей нитрид кремния, оксид иттрия и оксид алюминия при соотношении оксидов 3:5 и суммарном количестве оксида иттрия и оксида алюминия, составляющем 15 мас. % от общего количества смеси, компактирование в силиконовых эластичных пресс-формах путем холодного изостатического прессования при давлении в 200 МПа с выдержкой 90 с и спекание в высокотемпературной печи в атмосфере азота со скоростью нагрева 525°С/ч и дальнейшую выдержку в течение 1 часа при температуре спекания 1650°С. При этом обеспечивается достижение показателей плотности изделий, изготавливаемых на основе этого способа, не ниже 2,97 г/см³, диэлектрической проницаемости - не более 7,1, тангенса угла диэлектрических потерь - не более 1,4⋅10^-3, предела прочности на изгиб - не ниже 265 МПа, предела прочности на сжатие - не ниже 2115 МПа, микротвердости - не ниже 1375 HV, трещиностойкости - не ниже 6,0 МПа⋅м^1/2 (патент RU 2641358, МПК С04В 35/591).A known method for producing a composite ceramic material based on silicon nitride, including the preparation of a reaction mixture of powders of the initial components containing silicon nitride, yttrium oxide and aluminum oxide at a ratio of oxides of 3:5 and a total amount of yttrium oxide and aluminum oxide, which is 15 wt. % of the total amount of the mixture, compacting in silicone elastic molds by cold isostatic pressing at a pressure of 200 MPa with a holding time of 90 s and sintering in a high-temperature furnace in a nitrogen atmosphere with a heating rate of 525°C/h and further holding for 1 hour at sintering temperature 1650°C. This ensures the achievement of density indicators of products manufactured on the basis of this method, not lower than 2.97 g/cm ³ , dielectric constant - not more than 7.1, dielectric loss tangent - not more than 1.4⋅10 ^-3 , tensile strength bending - not less than 265 MPa, compressive strength - not less than 2115 MPa, microhardness - not less than 1375 HV, crack resistance - not less than 6.0 MPa⋅m ^1/2 (patent RU 2641358, IPC S04V 35/591).

Однако в качестве недостатка вышеописанного способа можно отметить отсутствие возможности его использования для получения материала рассекателя как фильтрующего элемента барботационной установки вследствие высокой плотности изделий, изготавливаемых на основе этого способа.However, as a disadvantage of the above method, it can be noted that it is not possible to use it to obtain a divider material as a filter element of a bubbling installation due to the high density of products manufactured on the basis of this method.

Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ получения литого дисилицида молибдена в режиме горения, включающий приготовление реакционной смеси порошков исходных компонентов, содержащую оксид молибдена VI в количестве 37,0-58,0 мас. %, алюминий в количестве 8,0-32,0 мас. %: кремний в количестве 22,0-34,0 мас. %, оксид кремния - остальное, помещение реакционной смеси в реактор СВС в форме из кварца, графита или нержавеющей стали, инициирование процесса СВС с последующим реагированием компонентов смеси в режиме горения под давлением 0,1-10 МПа газа, выбранного из ряда, включающего аргон, азот, воздух или их смеси. Инициирование процесса СВС производят электрической спиралью. Продукт синтеза состоит из двух слитков: внизу - дисилицид молибдена, вверху - твердый раствор оксида кремния в оксиде алюминия (патент RU 2367702, МПК С22С 29/18 (2006.01) B22F 3/23 (2006.01)).Closest to the proposed method in terms of technical essence and the achieved result (prototype) is a method for producing cast molybdenum disilicide in the combustion mode, including the preparation of a reaction mixture of powders of initial components containing molybdenum oxide VI in an amount of 37.0-58.0 wt. %, aluminum in the amount of 8.0-32.0 wt. %: silicon in the amount of 22.0-34.0 wt. %, silicon oxide - the rest, placing the reaction mixture in an SHS reactor in the form of quartz, graphite or stainless steel, initiating the SHS process with subsequent reaction of the mixture components in the combustion mode under a pressure of 0.1-10 MPa of a gas selected from a series including argon , nitrogen, air or mixtures thereof. The SHS process is initiated by an electric coil. The synthesis product consists of two ingots: at the bottom - molybdenum disilicide, at the top - a solid solution of silicon oxide in aluminum oxide (patent RU 2367702, IPC C22C 29/18 (2006.01) B22F 3/23 (2006.01)).

Основным недостатком описанного способа является отсутствие возможности его использования для получения материала рассекателя как фильтрующего элемента барботационной установки, обеспечивающего высокую степень перемешивания органических удобрений, с однородным продуктом по толщине барботируемого слоя, вследствие его реализации в изделиях на основе продукта синтеза из двух слитков -дисилицида молибдена и твердого раствора оксида кремния в оксиде алюминия, так как приведет к растрескиванию материала рассекателя при работе ввиду неоднородности.The main disadvantage of the described method is the impossibility of using it to obtain the material of the divider as a filter element of the bubbling installation, which provides a high degree of mixing of organic fertilizers, with a homogeneous product over the thickness of the bubbling layer, due to its implementation in products based on the product of synthesis from two ingots - molybdenum disilicide and a solid solution of silicon oxide in aluminum oxide, as it will lead to cracking of the material of the divider during operation due to inhomogeneity.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании способа получения композиционного материала как основы для изготовления преимущественно рассекателей для барботационных установок, позволяющего производить однородный материал с равномерным распределением по изделию продуктов реакции оксида алюминия и кремния.The technical problem, the solution of which is provided by the implementation of the invention, is to create a method for producing a composite material as the basis for the manufacture of mainly dividers for bubbling installations, which makes it possible to produce a homogeneous material with a uniform distribution of the reaction products of aluminum oxide and silicon over the product.

Решение названной технической проблемы достигается тем что в способе получения композиционного материала преимущественно рассекателя для барботационной установки, включающем приготовление реакционной смеси порошков исходных компонентов, содержащей алюминий и оксид кремния, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с последующим реагированием компонентов смеси в режиме горения под давлением воздуха 0,1 МПа, согласно изобретению используют порошок алюминия в количестве 40 мас. % и порошок оксида кремния в количестве 60 мас. %. Инициирование процесса СВС производят путем нагрева смеси в муфельной печи до температуры 1000-1100°С и осуществляют выдержку продукта реакции при этой температуре в течение времени, соответствующего образованию кремния и оксида алюминия.The solution to the mentioned technical problem is achieved by the fact that in the method of obtaining a composite material mainly of a divider for a bubbling installation, including the preparation of a reaction mixture of powders of the initial components containing aluminum and silicon oxide, initiation of the process of self-propagating high-temperature synthesis, followed by the reaction of the mixture components in the combustion mode at air pressure 0, 1 MPa, according to the invention, aluminum powder is used in an amount of 40 wt. % and silicon oxide powder in the amount of 60 wt. %. The SHS process is initiated by heating the mixture in a muffle furnace to a temperature of 1000-1100°C and holding the reaction product at this temperature for a time corresponding to the formation of silicon and aluminum oxide.

Получение однородного материала с равномерным распределением по изделию продуктов реакции оксида алюминия и кремния объясняется тем, что исходная шихта, содержащая оксид кремния и алюминия, подвергается механической активации в шаровой мельнице в течение времени и нагрузки, соответствующих формированию устойчивых конгломератов (механокомпозитов), а также тем, что за счет выдержки в муфельной печи в течение времени, которое соответствует полному протеканию диффузионных процессов и гомогенизации структуры.Obtaining a homogeneous material with a uniform distribution of the reaction products of aluminum oxide and silicon over the product is explained by the fact that the initial charge containing silicon and aluminum oxide is subjected to mechanical activation in a ball mill for a time and load corresponding to the formation of stable conglomerates (mechanocomposites), as well as , which is due to exposure in the muffle furnace for a time that corresponds to the full flow of diffusion processes and homogenization of the structure.

Использование порошка алюминия в количестве, составляющем 40 мас. %, и порошка оксида кремния в количестве, составляющем 60 мас. %, является оптимальным, так как предложенный способ направлен на получение кремния и оксида алюминия, а при содержании порошка алюминия, составляющем менее 40 мас. %, и порошка оксида кремния в количестве, составляющем более 60 мас. %, целевые фазы в синтезируемом продукте расположены не равномерно, и при содержании порошка алюминия в количестве, составляющем более 40 мас. %, и порошка оксида кремния в количестве, составляющем менее 60 мас. %, целевые фазы в синтезируемом продукте также расположены не равномерно.The use of aluminum powder in an amount of 40 wt. %, and silicon oxide powder in an amount of 60 wt. %, is optimal, since the proposed method is aimed at obtaining silicon and aluminum oxide, and when the content of aluminum powder is less than 40 wt. %, and silicon oxide powder in an amount of more than 60 wt. %, the target phases in the synthesized product are not evenly distributed, and when the content of aluminum powder in an amount of more than 40 wt. %, and silicon oxide powder in an amount of less than 60 wt. %, the target phases in the synthesized product are also unevenly distributed.

Температура нагрева порошков оксида кремния и алюминия в муфельной печи, составляющая 1000-1100°С является оптимальной, так как при температуре нагрева порошков оксида кремния и алюминия в муфельной печи, составляющей менее 1000°С в составе синтезируемого продукта наблюдаются остаточные исходные реагенты, а при температуре нагрева порошков оксида кремния и алюминия в муфельной печи, составляющей более 1100°С, происходит высокотемпературный распад фазы кремния и оксида алюминия.The heating temperature of silicon oxide and aluminum powders in a muffle furnace, which is 1000-1100°C, is optimal, since at a heating temperature of silicon oxide and aluminum powders in a muffle furnace, which is less than 1000°C, residual initial reagents are observed in the synthesized product, and at the heating temperature of the powders of silicon oxide and aluminum in the muffle furnace, which is more than 1100°C, there is a high-temperature decomposition of the phase of silicon and aluminum oxide.

Способ получения композиционного материала преимущественно рассекателя для барботационной установки осуществляется следующим образом.The way to obtain a composite material mainly divider for bubbling installation is as follows.

Приготовление реакционной смеси порошков исходных компонентов осуществляется путем высокоэнергетической механической активации реакционной смеси порошков исходных компонентов, содержащей 40 мас. % алюминия и 60 мас. % оксида кремния, в планетарной шаровой мельнице в инертной атмосфере. Полученную механоактивированную экзотермическую смесь засыпают в тигель, добавляют в тигель поливинилацетат, и устанавливают термопару, выдерживают до затвердевания образца. Затем извлекают образец из тигля и помещают в муфельную печь.The preparation of the reaction mixture of powders of the initial components is carried out by high-energy mechanical activation of the reaction mixture of powders of the initial components, containing 40 wt. % aluminum and 60 wt. % silicon oxide, in a planetary ball mill in an inert atmosphere. The resulting mechanically activated exothermic mixture is poured into the crucible, polyvinyl acetate is added to the crucible, and a thermocouple is installed, kept until the sample solidifies. The sample is then removed from the crucible and placed in the muffle furnace.

Инициирование процесса СВС производят путем нагрева смеси в муфельной печи под давлением воздуха 0,1 МПа до температуры 1000-1100°С и выдерживают продукт реакции при этой температуре и давлении в течение в течение времени, соответствующего образованию кремния и оксида алюминия, и составляющего 20-22 мин. Время выдержки, составляющее 20-22 мин., является оптимальным, так как при выдержке менее 20 мин. в синтезируемом продукте наблюдаются остаточные исходные реагенты, а при выдержке более 22 мин. происходит высокотемпературный распад фазы кремния и оксида алюминия.The SHS process is initiated by heating the mixture in a muffle furnace under an air pressure of 0.1 MPa to a temperature of 1000-1100°C and keeping the reaction product at this temperature and pressure for a time corresponding to the formation of silicon and aluminum oxide, and amounting to 20 22 min. The exposure time of 20-22 minutes is optimal, since with an exposure of less than 20 minutes. in the synthesized product, residual initial reagents are observed, and with an exposure of more than 22 min. high-temperature decomposition of the phase of silicon and aluminum oxide occurs.

Таким образом, преимуществом предложенного способа получения композиционного материала преимущественно рассекателя для барботационной установки по сравнению со способом получения литого дисилицида молибдена в режиме горения, выбранного в качестве прототипа, является реализация предложенного способа в однородном материале с равномерным распределением по образцу продуктов реакции оксида алюминия и кремния.Thus, the advantage of the proposed method for producing a composite material mainly of a divider for a bubbling installation compared to the method for producing cast molybdenum disilicide in the combustion mode, selected as a prototype, is the implementation of the proposed method in a homogeneous material with a uniform distribution of the reaction products of aluminum oxide and silicon over the sample.

Claims

1. A method for producing a composite material consisting of silicon and aluminum oxide, including the preparation of a reaction mixture of powders of the initial components, containing aluminum powder and silicon oxide powder, and initiation of the process of self-propagating high-temperature synthesis, characterized in that the preparation of the reaction mixture is carried out by mechanical activation of the mixture of powders of the initial components containing 40 wt.% aluminum and 60 wt.% silicon oxide, in a ball mill in an inert atmosphere to obtain a mechanically activated exothermic mixture, after which polyvinyl acetate is added to the mechanically activated exothermic mixture with exposure to solidification, and the process of self-propagating high-temperature synthesis is initiated by heating mentioned hardened mixture in a muffle furnace under an air pressure of 0.1 MPa to a temperature of 1000-1100°C and hold at the specified temperature for a time corresponding to the formation of silicon and aluminum oxide and component 20-22 min.

2. The method according to claim 1, characterized in that said composite material is used for the manufacture of a bubbling device divider.