RU2770773C1 - Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония - Google Patents

Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония Download PDF

Info

Publication number
RU2770773C1
RU2770773C1 RU2021104688A RU2021104688A RU2770773C1 RU 2770773 C1 RU2770773 C1 RU 2770773C1 RU 2021104688 A RU2021104688 A RU 2021104688A RU 2021104688 A RU2021104688 A RU 2021104688A RU 2770773 C1 RU2770773 C1 RU 2770773C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
boron carbide
zirconium diboride
charge
ceramics
carbide
Prior art date
Application number
RU2021104688A
Other languages
English (en)
Inventor
Татьяна Сергеевна Гудыма
Юрий Леонидович Крутский
Юрий Кондратьевич Непочатов
Нина Юрьевна Черкасова
Иванна Денисовна Кучумова
Роман Рафаэлович Хабиров
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет»
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 Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет»
Priority to RU2021104688A priority Critical patent/RU2770773C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2770773C1 publication Critical patent/RU2770773C1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B35/00—Boron; Compounds thereof
    • C01B35/02—Boron; Borides
    • C01B35/04—Metal borides
    • 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
    • C04B35/58—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 borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/5805—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 borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on borides
    • C04B35/58064—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 borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on borides based on refractory borides
    • C04B35/58078—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 borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on borides based on refractory borides based on zirconium or hafnium borides
    • 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
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/62675—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering characterised by the treatment temperature

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

Предлагаемое изобретение относится к изготовлению композиционной керамики карбид бора – диборид циркония и может быть использовано для изготовления чехлов высокотемпературных термопар, испарителей и лодочек для вакуумной металлизации, труб для перекачивания расплавленных металлов, сопел пескоструйных аппаратов, легковесной керамической брони, антифрикционных изделий. Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора – диборид циркония, состоящий в получении смеси порошков карбида бора и диборида циркония, отличающийся тем, что приготовление смеси осуществляется при карбидоборном восстановлении диоксида циркония с избытком карбида бора, имеющего размер частиц после термообработки 4,9 мкм, при температуре реакции 1600-1700°С в течение 20-25 минут, причем в качестве высокодисперсного углеродного материала используют измельченный нановолокнистый углерод. Предложенный способ направлен на уменьшение размеров частиц карбида бора в шихте. 1 пр.

Description

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению композиционной керамики карбид бора - диборид циркония, и может быть использовано для изготовления чехлов высокотемпературных термопар, испарителей и лодочек для вакуумной металлизации, труб для перекачивания расплавленных металлов, сопел пескоструйных аппаратов, легковесной керамической брони, антифрикционных изделий.
Известен способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония смешиванием в этиловом спирте порошков карбида циркония и бора в течение 12 часов с последующим испарением этилового спирта и сушкой при температуре 90°С в течение 24 часов. Далее шихта подвергалась прессованию методом электроискрового плазменного спекания при давлении 60 МПа. (Ji Zou, Shui-Gen Huang, Kim Vanmeensel, Guo-Jun Zhang, Jef Vleugels and Omer Van der Biest. Spark Plasma Sintering of Superhard B4C ZrB2 Ceramics by Carbide Boronizing. Journal of the American Ceramic Society, 2013, Vol. 96, P 1-5.).
Однако указанный способ имеет следующие недостатки. Это многостадийность и длительность процесса подготовки шихты, а также высокое давление прессования.
Кроме того, известен способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония (Zviad Mestvirishvili, Irakli Bairamashvili, Vakhtang Kvatchadze and Nugzar Rekhviashvili. Thermal and Mechanical Properties of B4C-ZrB2 Ceramic Composite. Journal of Materials Science and Engineering В, 2015, Vol. 5, No. 9-10, P. 385 - 393), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в изготовлении шихты из порошков карбида бора со средним размером частиц 10 микрон и диборида циркония. Получение керамики из этой шихты осуществлялось горячим прессованием при давлении 40 МПа. Полученная композиционная керамика карбид бора - диборид циркония имела величину микротвердости 28,2 ГПа и значение трещиностойкости 2,37 МПа⋅м1/2.
Однако указанный способ имеет недостаток. Это использование при изготовлении керамики порошка карбида бора со сравнительно высоким размером частиц (максимальный размер частиц 10 мкм). Общеизвестно, что для получения качественной керамики необходимо применять порошки со сравнительно низкими размерами частиц.
Задачей предлагаемого изобретения является получение шихты, содержащей карбид бора с более низким размером частиц (4,8…5,0 мкм).
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения шихты из смеси карбида бора и диборида циркония она приготавливается карбидоборным восстановлением диоксида циркония с избытком карбида бора при температурах 1600…1700°С в течение 20…25 минут по реакции
Figure 00000001
с последующим изготовлением керамики горячим прессованием.
Величины n в уравнении были выбраны для получения композиционных порошков составов, мол. %: 98B4C-2ZrB2(n=98), 95В4С-5ZrB2(n=38), 90B4C-10ZrB2(n=19), 80B4C-20ZrB2(n=9), 75B4C-25ZrB2(n=7), 70B4C-30ZrB2(n=5,67). Этим значениям соответствуют составы композиционных порошков в масс. %: 96B4C-4ZrB2(n=98), 90B4C-10ZrB2(n=38), 82B4C-18ZrB2(n=19), 69B4C-31ZrB2(n=9), 63B4C-37ZrB2(n=7), 58B4C-42ZrB2(n=5,67).
Способ осуществляется следующим образом. Порошки диоксида циркония, карбида бора и высокодисперсного углеродного материала (измельченного нановолокнистого углерода) просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. При просеивании происходит перемешивание этих трех компонентов с получением смеси. Далее смесь загружается в тигель из стеклоуглерода. Тигель из стеклоуглерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Для предотвращения азотирования карбида бора кварцевый реактор продувается аргоном. Нагрев смеси производят при температуре 1600…1700°С в течение 20…25 минут.
Температура в реакторе контролируется оптическим пирометром. После остывания реактора прекращается подача аргона, из реактора достается тигель, из тигля извлекается продукт реакции (композиционная шихта карбид бора - диборид циркония). Средний размер частиц карбида бора в ней составляет 4,8…5,0 микрон, то есть существенно ниже, чем в прототипе.
При температурах ниже 1600°С диборид циркония не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При температурах, превышающих 1700°С, частицы карбида бора существенно увеличиваются в размерах. При времени процесса менее 20 минут диборид циркония не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При времени процесса более 25 минут частицы карбида бора существенно увеличиваются в размерах.
Таким образом, при температуре процесса ниже 1600°С и времени процесса ниже 20 минут получение композиционной шихты карбид бора - диборид циркония невозможно, то есть поставленная задача не достигается.
Пример реализации способа
Порошки диоксида циркония со средним размером частиц 3,3 мкм, карбида бора и измельченного нановолокнистого углерода со средним размером частиц 3,9 мкм, взятые в молярном количестве, моль: диоксид циркония 2, карбид бора 62 и нановолокнитый углерод 3 для получения композиционного порошка карбид бора - диборид циркония, содержащего в соответствии с реакцией 6,185 масс.% диборида циркония совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее полученная смесь засыпается в тигель из стеклоуглерода. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Кварцевый реактор продувается аргоном. Температура процесса 1650°С, время выдержки при этой температуре 22 минуты. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции обеих фаз: карбида бора и диборида циркония, причем средний размер частиц карбида бора, определенный седиментационным анализом, составил 4,9 микрон.
Получение композиционной керамики карбид бора - диборид циркония из полученной шихты проводилось горячим прессованием при давлении 25 МПа. Величина микротвердости полученной керамики составила 30,2 ГПа, а значение трещиностойкости 3,1 МПа⋅м1/2. Таким образом, использование композиционной шихты карбид бора - диборид циркония, приготовленной по реакции карбидоборного восстановления диоксида циркония с избытком карбида бора позволило получить керамику с более высокими значениями твердости и трещиностойкости при меньшем давлении прессования.

Claims (1)

  1. Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора – диборид циркония, состоящий в получении смеси порошков карбида бора и диборида циркония, отличающийся тем, что приготовление смеси осуществляется при карбидоборном восстановлении диоксида циркония с избытком карбида бора, имеющего размер частиц после термообработки 4,9 мкм, при температуре реакции 1600-1700°С в течение 20-25 минут, причем в качестве высокодисперсного углеродного материала используют измельченный нановолокнистый углерод.
RU2021104688A 2021-02-25 2021-02-25 Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония RU2770773C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021104688A RU2770773C1 (ru) 2021-02-25 2021-02-25 Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021104688A RU2770773C1 (ru) 2021-02-25 2021-02-25 Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2770773C1 true RU2770773C1 (ru) 2022-04-21

Family

ID=81306243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021104688A RU2770773C1 (ru) 2021-02-25 2021-02-25 Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2770773C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2812539C1 (ru) * 2023-06-02 2024-01-30 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Способ изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2209799C2 (ru) * 2001-11-13 2003-08-10 Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН Способ получения сверхтвердого материала на основе карбида бора
US20090105062A1 (en) * 2006-03-24 2009-04-23 Esk Ceramics Gmbh & Co., Kg Sintered Wear-Resistant Boride Material, Sinterable Powder Mixture, for Producing Said Material, Method for Producing the Material and Use Thereof
RU2559485C1 (ru) * 2014-03-21 2015-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" Способ получения диборида циркония
RU2683107C1 (ru) * 2018-03-13 2019-03-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Способ получения смесей высокодисперсных гетерофазных порошков на основе карбида бора

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2209799C2 (ru) * 2001-11-13 2003-08-10 Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН Способ получения сверхтвердого материала на основе карбида бора
US20090105062A1 (en) * 2006-03-24 2009-04-23 Esk Ceramics Gmbh & Co., Kg Sintered Wear-Resistant Boride Material, Sinterable Powder Mixture, for Producing Said Material, Method for Producing the Material and Use Thereof
RU2559485C1 (ru) * 2014-03-21 2015-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" Способ получения диборида циркония
RU2683107C1 (ru) * 2018-03-13 2019-03-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Способ получения смесей высокодисперсных гетерофазных порошков на основе карбида бора

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KRUTSKII YU.L. et al., "Synthesis of Highly Dyspersed Zirconium Diboride for Fabrication of Special-Purpose Ceramic", Russian Journal of Applied Chemistry, 2017, vol.90, N 10, p.1579-1585. *
MESTVIRISHVILI Z. et al., "Thermal and Mechanical Properties of B4C-ZrB2 Ceramic Composite", Journal of Materials Science and Engineering B, 2015, Vol. 5, No. 9-10, р. 385 - 393. *
MESTVIRISHVILI Z. et al., "Thermal and Mechanical Properties of B4C-ZrB2 Ceramic Composite", Journal of Materials Science and Engineering B, 2015, Vol. 5, No. 9-10, р. 385 - 393. RU 2559485 C1, 10.08.2015, с.3-4. *
с.3-4. KRUTSKII YU.L. et al., "Synthesis of Highly Dyspersed Zirconium Diboride for Fabrication of Special-Purpose Ceramic", Russian Journal of Applied Chemistry, 2017, vol.90, N 10, p.1579-1585. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2812539C1 (ru) * 2023-06-02 2024-01-30 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Способ изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5942455A (en) Synthesis of 312 phases and composites thereof
Wei et al. Effect of Ti content and sintering temperature on the microstructures and mechanical properties of TiB reinforced titanium composites synthesized by SPS process
Sahin et al. Preparation of AlON ceramics via reactive spark plasma sintering
Wu et al. Synthesis and microstructural features of ZrB2–SiC-based composites by reactive spark plasma sintering and reactive hot pressing
WO1997018162A9 (en) Synthesis of 312 phases and composites thereof
Peicheng et al. Effect of sintering temperature on synthesis of PCBN in cBN-Ti-Al-W system
KR20110077154A (ko) 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법
JP5930317B2 (ja) 高強度強靱性ＺｒＯ２‐Ａｌ２Ｏ３系固溶体セラミックスの作製法
US20110227259A1 (en) Methods of forming sintered boron carbide
GB2048953A (en) Sintering silicon carbide in boron containing atmosphere
Bernardo et al. Polymer-derived SiC ceramics from polycarbosilane/boron mixtures densified by SPS
Toksoy et al. Densification and characterization of rapid carbothermal synthesized boron carbide
Luo et al. Low-temperature densification by plasma activated sintering of Mg2Si-added Si3N4
RU2770773C1 (ru) Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония
Souza et al. Development of α-SiAlON-SiC ceramic composites by liquid phase sintering
Solodkyi et al. Low-temperature synthesis of boron carbide ceramics
RU2539465C2 (ru) Способ изготовления изделий из реакционноспеченного композиционного материала
Feng et al. Synthesis, densification, microstructure, and mechanical properties of samarium hexaboride ceramic
Gilev et al. Phase formation in the synthesis of Ti 2 AlN by spark plasma sintering in the Ti/AlN system
RU2789828C1 (ru) Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид хрома
Matovic et al. Synthesis and characterization of hafnium carbide based ceramics
RU2540674C2 (ru) Способ изготовления изделий из нитрида кремния
RU2514041C2 (ru) Углеродсодержащая композиция для получения реакционно-связанного карбида кремния
RU2816158C1 (ru) Способ получения керамического композита В4С - SiC
RU2812539C1 (ru) Способ изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония