RU2775445C1 - Способ спекания смеси порошков Al2O3 и AlN - Google Patents
Способ спекания смеси порошков Al2O3 и AlN Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775445C1 RU2775445C1 RU2021110802A RU2021110802A RU2775445C1 RU 2775445 C1 RU2775445 C1 RU 2775445C1 RU 2021110802 A RU2021110802 A RU 2021110802A RU 2021110802 A RU2021110802 A RU 2021110802A RU 2775445 C1 RU2775445 C1 RU 2775445C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sintering
- aln
- temperature
- mixture
- ceramics
- Prior art date
Links
- 238000005245 sintering Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 18
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 12
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 title claims abstract 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N AI2O3 Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 4
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 title abstract 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 title abstract 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000000996 additive Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000001131 transforming Effects 0.000 claims abstract description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 claims description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 2
- 238000004320 controlled atmosphere Methods 0.000 claims 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 8
- 230000003287 optical Effects 0.000 abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 7
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 abstract description 3
- 230000001681 protective Effects 0.000 abstract description 3
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 7
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L Calcium fluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 3
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 3
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 2
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N iso-propanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 102000014961 Protein Precursors Human genes 0.000 description 1
- 108010078762 Protein Precursors Proteins 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 239000005340 laminated glass Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000006193 liquid solution Substances 0.000 description 1
- 238000011068 load Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N precursor Substances N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 239000005341 toughened glass Substances 0.000 description 1
- 238000003826 uniaxial pressing Methods 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к технологии получения поликристаллической керамики на основе оксинитрида алюминия с достаточной степенью прозрачности в оптическом диапазоне, которая может быть использована в производстве защитных устройств, электронике и других областях техники. Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение получения поликристаллической керамики и изделий на нее с относительной плотностью выше 98%, прочностью порядка 170-220 МПа и твердостью в диапазоне 1700-1800 HV. Данный способ спекания осуществляется за один этап термической обработки, включающий в себя нагрев и выдержку при заданной температуре. Смесь исходных порошков Al2O3, AlN в соотношении, близком к области эвтектоидного превращения, и спекающей добавки Y2O3 в количестве 0,5 мас.% прессуют в одноосном прессе с усилием 30-80 МПа. На следующем этапе происходит спекание по реакционному механизму при температуре 1670-1800°С в атмосфере газообразного азота с выдержкой от 5 до 8 часов. 1 пр.
Description
Данный способ относится к технологии получения поликристаллической керамики, в том числе керамики с достаточной степенью прозрачности в оптическом диапазоне, и изделий из нее.
Потребность в керамических материалах все чаще возникает в различных областях техники, таких как автомобилестроение, авиастроение, производство защитных устройств, сооружений, электроники и других областях техники.
Также существует потребность и в прозрачных защитных материалах. В настоящее время основным материалом для данных назначений является триплекс - многослойное стекло, состоящее из слоев органических или силикатных стекол, склеенных между собой. Также применяются закаленные стекла и монокристаллы. В качестве альтернативы рассматривается прозрачная керамика на основе оксинитрида алюминия (Al23O27N5), которая является прозрачной для электромагнитного излучения, света в диапазоне волн от 0,2 до 6 микрометров. Данный материал обладает такими свойствами как сравнительно высокая прочность, порядка 340 МПа, и низкая плотность -3,69 г/см3.
Известен способ получения прозрачной, в оптическом диапазоне, поликристаллической керамики на основе фторида кальция, заключающийся в нагревании порошкообразного сырья выше температуры горячего прессования с последующим снижением его температуры до температуры горячего прессования и горячем прессовании. Нагревание порошкообразного фторида кальция проводят в пресс-форме, полученную пористую предзаготовку охлаждают до Ткомн и помещают в пресс-форму, в которой проводят ее горячее прессование, после чего пресс-форму охлаждают до Ткомн и полученные заготовки оптической керамики отжигают при температуре 700-1200°С в среде контролируемого состава до снятия термоупругих напряжений в полученной оптической керамике (RU 2559974, МПК С04В 35/553, 2014.06.18). Недостатком этого способа является потребность в горячем прессовании и изготовлении специальных пресс-форм, а также низких прочностных свойствах керамики из фторида кальция, что существенно ограничивает применение данной керамики.
Известен способ получения плотного поликристаллического материала на основе оксинитрида алюминия, заключающийся в применении метода горячего изостатического прессования (US 7,163,656 B1, В2.8 В 3/00, 2002.05.17). Этот способ состоит в том, что применяется метод горячего изостатического прессования (ГИП), при постоянной температуре порядка 1600°С и постоянном давлении для устранения пористости. В данном методе используют концентрации согласно диаграмме состояния и уравнению Al(64+x)/3O(32-x)Nx. Способ получения поликристаллического оксинитрида алюминия, включает стадии: смешивание порошков оксида алюминия и нитрида алюминия; формирование компакта из смеси, горячего прессования компакта; горячего реакционного прессования тела; и охлаждение тела, причем стадию реакционного спекания проводят при температуре от 1700°С до 2000°С, давление от 3 до 30000 фунтов на квадратный дюйм и время от 1 до 12 часов. Al2O3 имеет диапазон мольных % от 60 до 74% в порошковой смеси, a AlN имеет диапазон мольных % от примерно 26 до 40% в порошковой смеси. Полученный однофазный поликристаллический оксинитрид алюминия, имеет следующую химическую формулу: Al(64+х)/3О32-xNx, где х находится в интервале 2-7. Мелкозернистые порошки прекурсоры - оксид алюминия (Al2O3) от 26 мол. % до 40 мол. % и нитрид алюминия (AlN) - остальное, которые смешивают и прессуют в компакт. Компакт одноосно сжимается при постоянной температуре. Условия одноосного прессования включают в себя давление примерно от 3000 до 10000 фунтов на квадратный дюйм и температуру от 1350°С до 1600°С в течение периода времени от 1 часа до 4 часов. Эта температура ниже температуры реакции. В результате получается промежуточная заготовка. Заготовку подвергают горячему прессованию, спекание происходит в условиях реакции в атмосфере, свободной от кислорода. Условия реакции включают температуру спекания от 1700°С до 2000°С и реакционное давление от 3 фунтов на квадратный дюйм до 30000 фунтов на квадратный дюйм, а также период времени реакции от 1 часа до 12 часов. Спеченную заготовку затем охлаждают с контролируемой скоростью для предотвращения растрескивания для получения плотной керамики. Недостаток данного способа состоит в том, что технология предусматривает сложное оборудование типа горячего изостатического пресса и, следовательно, изготовление необходимых пресс-форм, что понижает технологичность данного метода.
В качестве наиболее близкого аналога, с точки зрения исполнения технологии, является способ получения прозрачного плотного керамического материала оксинитрида алюминия при помощи жидкофазного спекания (US 7,045,091 В, С04В 3.5/10, 2002.08.05). Этим способом получают прозрачную керамику из оксинитрида алюминия. Известный способ состоит из двух этапов спекания. На первой стадии спекания, смесь порошков Al2O3 и AlN спекается в температурном интервале между твердой и жидкой фазой, и на второй стадии спекания термообработка осуществляется при температуре, по меньшей мере, на 50°С ниже, чем температура первой термообработки. Вводится небольшая фракция жидкой фазы, согласно фазовой диаграмме, которая способствует устранению пор и уплотнению изделия. На первом этапе материал смещается из области жидкость / твердый раствор в область твердого раствора оксинитрида алюминия, где жидкость полностью прореагирует с твердой фазой оксинитрида алюминия в процессе спекания. Процедура предназначена для устранения пустот и других дефектов, которые часто приводят к уменьшению оптической четкости. В этом патенте подбираются такие параметры спекания, при которых во время первого спекания образуется жидкая фаза, которая расходуется для уплотнения керамики на второй фазе спекания. При формировании структуры оксинитрида, температура порядка 2000°С, для «залечивания» пор и улучшения оптических и механических свойств - первый этап. Второй этап - понижение температуры на, примерно, 50°С, для перехода в область гомогенности твердой фазы оксинитрида алюминия, что подтверждает диаграмма состояния Al2O3 - AlN. В этом патенте спекание осуществляется в вакуумной печи с температурами нагрева порядка 2100°С в контролируемой атмосфере азота. Недостатком известного метода является двухстадийное спекание при температурах выше 2000°С, а также потребность в тщательном контроле температуры, что увеличивает стоимость производства оптической керамики.
Задачей заявленного изобретения является разработка способа спекания прочного и прозрачного керамического материала с низким удельным весом на основе оксида алюминия (Al2O3) и (AlN) с добавлением спекающей добавки оксида иттрия (Y2O3). Процесс спекания происходит в один этап при температуре не более 1800°С.
Техническим результатом заявленного изобретения является одностадийный способ спекания оптически прозрачной высокопрочной керамики при температуре не выше 1800°С. Свойства полученной керамики не ниже чем в образцах, полученных известному способу.
Указанный технический результат достигается тем, что состав исходной смеси порошков дополнительно содержит спекающую добавку Y2O3 в размере 0,5 мас. %, смесь нагревают до температуры от 1670 до 1800°С и выдерживают при данных температурах от 5 до 8 часов.. Процесс спекание происходит по реакционному механизму, из исходных составляющих, в процессе термической обработки образуется новая фаза - оксинитрид алюминия. Такой подход позволяет упростить технологию спекания, в которой оксинитрид алюминия синтезируется до этапа спекания плотного изделия.
Сущность изобретения. Указанный технический результат достигается тем, что соотношение Al2O3 и AlN определяется из соответствующей фазовой диаграммы, максимально близко к области эвтектоидного превращения. Размер частиц исходных порошков в диапазоне от 0,5 до 1,2 микрометров.
Кроме того, упомянутый технический результат достигается за счет добавления в малом объеме (доли массового процента) спекающих добавок, позволяющих снизить температуру спекания и, следовательно, удешевить производство. В качестве спекающих добавок используется оксид иттрия Y2O3, массовый процент спекающей добавки составлял 0,5 мас. % во всех случаях.
Оптимальный состав исходных компонентов, в совокупности со спекающими добавками позволяет понизить температуру спекания. Оксиды редкоземельных металлов служат для интенсификации спекания и уплотнения, в частности на границе спекаемых частиц порошка образуется жидкая фаза, что способствует высокому уплотнению при спекании, свыше 99% от теоретической плотности.
Для интенсификации реакционного механизма, образования фазы оксинитрида алюминия, перед процессом спекания предварительную порошковую смесь прессуют в гидравлическом одноосном прессе с усилием от 30 до 80 МПа. Нагрузка выбирается исходя из условия сохранения оптимального объема пор. Требуется получить оптимальную пористость для проникновения газовой фазы во время спекания равномерно во всем объеме керамического изделия.
Процесс спекания происходит в печах с возможностью контроля атмосферы, с рабочей температурой в диапазоне от 1700 до 2000°С. Спекание происходит в атмосфере азота.
Данный способ позволяет спекать керамические образцы в диапазоне температур 1670-1800°С за время в диапазоне от 5 до 8 часов. Точный выбор температуры и времени выдержки зависит от задаваемого состава исходных компонентов Al2O3 и AlN и объема спекающих добавок.
Пример. Образец изготавливался из исходных порошков Al2O3 и AlN в соотношение 64 к 33, с добавлением 0,5 мас. % Y2O3. Смешивание исходных порошков производилось в планетарной мельнице на протяжение 30 минут с добавлением изопропилового спирта. Образцы смешивались в сосудах из оксида циркония, мелющие тела также были выполнены из оксида циркония. Прессование происходило при помощи ручного гидравлического пресса с усилием 50 МПа. Спекание происходило в вакуумно-компрессионной печи carobus24. Время нагрева 3 часа время, время выдержки 7 часов.
Исследования фазового состава показали, что в полученной керамике 99,6% фазового состава - целевая фаза оксинитрида алюминия. Плотность керамики составила порядка 100% от теоретической плотности (3,69 г/см3). Среднее значение твердости составило 1570 HV, предел прочности составил 200 МПа. Коэффициент светопропускания в диапазоне волн от 0,2 до 6 микрометров составлял от 0.53 до 0,67.
Данный способ позволяет получать изделия необходимой формы, которые могут применятся для защиты инфракрасной техники, работающей в тяжелых условиях (авиатехника, морская техника и прочее), а также служить для защиты людей в качестве высокопрочного и легкого прозрачного конструкционного материала в автомобилях.
Claims (1)
- Способ получения оптически прозрачной керамики оксинитрида алюминия, включающий предварительное прессование порошковых заготовок из смеси порошков Al2O3 и AlN и спекающей добавки Y2O3 в количестве 0,5 мас.% и спекание в печах с контролируемой атмосферой в газообразном азоте по реакционному механизму, отличающийся тем, что соотношение Al2O3 и AlN определяется из соответствующей фазовой диаграммы, максимально близко к области эвтектоидного превращения, а размер частиц исходных порошков находится в диапазоне от 0,5 до 1,2 мкм, при этом для спекания смесь нагревают до температуры от 1670 до 1800°С и выдерживают при данных температурах от 5 до 8 часов.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2775445C1 true RU2775445C1 (ru) | 2022-06-30 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2794376C1 (ru) * | 2022-08-11 | 2023-04-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Способ получения керамики на основе оксинитрида алюминия |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993001147A1 (en) * | 1991-07-08 | 1993-01-21 | The Dow Chemical Company | Aluminum nitride densification with minimal grain growth |
| US7045091B1 (en) * | 2002-08-05 | 2006-05-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Transient liquid phase reactive sintering of aluminum oxynitride (AlON) |
| RU2370472C1 (ru) * | 2008-03-27 | 2009-10-20 | Учреждение Российской академии наук Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН | Способ получения литого оксинитрида алюминия в режиме горения |
| US20100167907A1 (en) * | 2006-10-16 | 2010-07-01 | Industry-Academic Cooperation Foundation Yeungnam University | Method for manufacturing transparent polycrystalline aluminum oxynitride |
| RU2013141975A (ru) * | 2011-02-28 | 2015-04-10 | Индастри-Экэдемик Кооперэйшн Фаундэйшн, Йеунгнам Юниверсити | Способ получения поликристаллического оксинитрида алюминия, обладающего улучшенной прозрачностью |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993001147A1 (en) * | 1991-07-08 | 1993-01-21 | The Dow Chemical Company | Aluminum nitride densification with minimal grain growth |
| US7045091B1 (en) * | 2002-08-05 | 2006-05-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Transient liquid phase reactive sintering of aluminum oxynitride (AlON) |
| US20100167907A1 (en) * | 2006-10-16 | 2010-07-01 | Industry-Academic Cooperation Foundation Yeungnam University | Method for manufacturing transparent polycrystalline aluminum oxynitride |
| RU2370472C1 (ru) * | 2008-03-27 | 2009-10-20 | Учреждение Российской академии наук Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН | Способ получения литого оксинитрида алюминия в режиме горения |
| RU2013141975A (ru) * | 2011-02-28 | 2015-04-10 | Индастри-Экэдемик Кооперэйшн Фаундэйшн, Йеунгнам Юниверсити | Способ получения поликристаллического оксинитрида алюминия, обладающего улучшенной прозрачностью |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2794376C1 (ru) * | 2022-08-11 | 2023-04-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Способ получения керамики на основе оксинитрида алюминия |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110467453B (zh) | 制备用于烧结的陶瓷成型体的方法和制造陶瓷烧结体的方法 | |
| WO1980000079A1 (en) | Silicon nitride having high temperature and method | |
| US5145833A (en) | Method for producing ceramic bodies | |
| US4376742A (en) | Fugitive liquid phase densification of silicon nitride | |
| JP7056624B2 (ja) | 焼結用セラミックス成形体の作製方法及びセラミックス焼結体の製造方法 | |
| RU2775445C1 (ru) | Способ спекания смеси порошков Al2O3 и AlN | |
| WO1980000080A1 (en) | High strength silicon nitride | |
| US7045091B1 (en) | Transient liquid phase reactive sintering of aluminum oxynitride (AlON) | |
| Matovic | Low temperature sintering additives for silicon nitride | |
| JP2001158660A (ja) | 透光性希土類アルミニウムガーネット焼結体及びその製造方法 | |
| Kumazawa et al. | Improvement in sinterability and high-temperature mechanical properties by grain boundary design for high purity mullite ceramics: Crystallization of grain-boundary glassy phase | |
| JPH04238864A (ja) | 透光性イットリア焼結体及びその製造方法 | |
| JP7056625B2 (ja) | 焼結用セラミックス成形体の作製方法及びセラミックス焼結体の製造方法 | |
| Zhao et al. | KNbTeO6 transparent ceramics prepared by the combination of pressure-less sintering and pseudo hot isostatic pressing | |
| AU621409B2 (en) | Novel method for producing ceramic bodies | |
| Popper | Sintering of silicon nitride, a review | |
| JP3152790B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体の製造方法 | |
| JP3124865B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 | |
| JP3328280B2 (ja) | 高い靭性、強度及び信頼性を有する焼結窒化ケイ素 | |
| JP2976534B2 (ja) | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 | |
| JP2960591B2 (ja) | 炭化ケイ素−窒化ケイ素−混合酸化物系焼結体およびその製造方法 | |
| JPS5988374A (ja) | 窒化ケイ素セラミツク体の製造法 | |
| Oparina et al. | Aluminum Oxynitride Strong Transparent Ceramics: Properties, Technologies, and Applications | |
| JPH11240765A (ja) | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 | |
| RU2559974C1 (ru) | Способ получения оптической керамики на основе фторида кальция и изготовленная этим способом оптическая керамика |