RU2816616C1 - Способ получения горячепрессованной карбидокремниевой керамики - Google Patents

Способ получения горячепрессованной карбидокремниевой керамики Download PDF

Info

Publication number
RU2816616C1
RU2816616C1 RU2023118790A RU2023118790A RU2816616C1 RU 2816616 C1 RU2816616 C1 RU 2816616C1 RU 2023118790 A RU2023118790 A RU 2023118790A RU 2023118790 A RU2023118790 A RU 2023118790A RU 2816616 C1 RU2816616 C1 RU 2816616C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon carbide
mpa
pressure
hot
ceramics
Prior art date
Application number
RU2023118790A
Other languages
English (en)
Inventor
Антон Сергеевич Лысенков
Марианна Геннадьевна Фролова
Юрий Федорович Каргин
Константин Александрович Ким
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2816616C1 publication Critical patent/RU2816616C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к неорганической химии, конкретно к получению карбидокремниевых материалов и изделий. Получаемая горячепрессованная карбидокремниевая керамика может быть применена в качестве теплозащитных, химически- и износостойких материалов, используемых, в основном, в авиационной и космической технике, машиностроении, электронной, химической и нефтехимической промышленности. Заявляемый способ изготовления изделий из горячепрессованного карбида кремния включает смешение порошков карбида кремния с размером частиц 100-400 нм, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и спекающей добавки Al2O3-Y2O3-ZrO2 в планетарной мельнице в течение 1 часа в изопропиловом спирте, сушку смеси, протирание через сито №0063, добавление 3 мас. % 10-% водного раствора поливинилпирролидона, предварительное одностороннее одноосное прессование в металлической пресс-форме при давлении 50 Мпа. Обжиг заготовок проводят в интервале температур 1700-1800°С при давлении 30 МПа методом горячего прессования в графитовой пресс-форме в течение 60 минут. Технический результат – получение керамики более плотной структуры с высоким уровнем прочности, микротвёрдости и модуля упругости. 3 пр.

Description

Изобретение относится к неорганической химии, конкретно к получению карбидокремниевых материалов и изделий. Получаемая горячепрессованная карбидокремниевая керамика может быть применена в качестве теплозащитных, химически- и износостойких материалов, используемых, в основном, в авиационной и космической технике, машиностроении, электронной, химической и нефтехимической промышленности.
Использование предлагаемого способа позволяет получать плотные карбидокремниевые материалы с высоким уровнем механических свойств.
Известен способ RU 2556599 C1 получения наноструктурированной карбидокремниевой керамики, заключающийся в том, что готовят раствор фенолформальдегидной смолы с массовым содержанием углерода от 5 до 40% в органическом растворителе или смеси органических растворителей с образованием геля. Затем осуществляют сушку полученного геля при температуре 0÷50°С и давлении 1⋅10-4÷1 атм до прекращения изменения массы, после чего осуществляют карбонизацию ксерогелей термической обработкой при температуре от 400 до 1000°С в течение 0,5÷12 часов либо в инертной атмосфере, либо при пониженном давлении, с образованием высокодисперсной химически активной стартовой смеси SiO2-C, из которой далее формуют керамику искровым плазменным спеканием при температуре от 1300 до 2200°С и давлении 3,5÷6 кН в течение от 3 до 120 мин в условиях динамического вакуума или в инертной среде, после чего избыточный углерод выжигают на воздухе при температурах 350÷800оС. Основными недостатками являются многостадийность технологических операций, низкий выход продукта, высокие температуры спекания керамики, дополнительная стадия выжигания углерода и низкая плотность получаемой керамики.
Известен способ RU 2018502 С1 изготовления керамики на основе карбида кремния, основанный на смешении порошков альфа-карбида кремния, нитрида алюминия, оксида РЗЭ, оксида алюминия, которые совместно измельчают, формуют заготовку с термопластичным связующим и спекают в неокислительной газовой среде при 2100-2250°С. Полученная керамика обладает высокими механическими свойствами. К недостаткам данного способа можно отнести высокую температуру обжига и длительное время изотермической выдержки, что может привести к большему износу печи.
Известен способ RU 2700428 С1 получения керамического композиционного материала и изделия, выполненного из него. Керамический композиционный материал получали методом искрового плазменного спекания из шихтовой смеси порошков карбида кремния, нитрид алюминия, оксид иттрия и карбидокремниевые нитевидные кристаллы. Предлагаемый керамический композиционный материал обладает повышенной рабочей температурой и жаростойкостью, при этом прочностные характеристики при комнатной температуре сохранены на высоком уровне. Использование крупнозернистого порошка карбида затрудняет процесс спекания керамики и снижает механические свойства. Также применение карбидокремниевых нитевидных кристаллов затрудняет гомогенизацию, усложняет технологические приемы и повышает стоимость конечной продукции.
Наиболее близким является способ получения керамики на основе карбида кремния методом горячего прессования (Перевислов С.Н., Лысенков А.С., Титов Д.Д., Томкович М.В. Горячепрессованные керамические материалы в системе SiC-YAG // Неорганические материалы. 2017. Т. 53. №2. С.206-211). Согласно прототипу, помол α-SiC марки М40, производят на струйной мельнице до размера частиц d0.5=0.85 мкм. Порошки Al2O3 и Y2O3 вводили в состав материала в соотношении алюмоиттриевого граната. Порошки оксидов перемешивали в барабанном смесителе в течение 20 ч, затем их добавляли в карбид кремния. Шихтовые порошки SiC и YAG перемешивали в барабанном смесителе в течение 20 ч. Плотные материалы SiC + YAG получали на установке горячего прессования в температурном интервале 1750-1850°С в атмосфере аргона в течение 10 мин при давлении 50 МПа. Недостатком данного способа является использование крупного порошка карбида кремния, который в дальнейшем измельчают на струйной мельнице, что усложняет технологический процесс. Также используют смесь Al2O3 и Y2O3 в соотношении алюмоиттриевого граната. Использование смеси оксидов, а не заранее синтезированного соединения, приводит к образованию вторичных оксидных фаз, нарушению стехиометрии и снижению механических свойств керамики. Также, применение высокого давления при горячем прессовании может привести к большому износу графитовой оснастки.
Задачей настоящего изобретения является получение керамики на основе карбида кремния, которая имеет плотную структуру и высокий уровень механических свойств.
Технический результат достигается тем, что способ получения горячепрессованной карбидокремниевой керамики, включающий смешение порошков карбида кремния и спекающей добавки в планетарной мельнице в течение 1 часа в изопропиловом спирте, сушку смеси, предварительное одностороннее одноосное прессование в металлической пресс-форме при давлении 50 МПа, обжиг методом горячего прессования в графитовой пресс-форме в среде аргона, согласно изобретению в качестве исходных компонентов использовали спекающую добавку Al2O3-Y2O3-ZrO2 и порошок карбида кремния, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, с размером частиц 100-400 нм не требующий дополнительного измельчения, обжиг в течение 60 минут в интервале температуре 1700-1800°С при давлении 30 МПа.
В заявленном способе предлагается использовать порошок карбида кремния, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. С помощью данного способа получают порошки субмикронного размера и округлой формой частиц. Использование в составе шихты порошка карбида кремния субмикронного размера (100-400 нм), имеющего округлую форму частиц, в сочетании с обжигом методом горячего прессования (одновременное воздействие давления и температуры) позволяет получить более плотную керамику.
В качестве спекающей предложена добавка в системе Al2O3-Y2O3-ZrO2 с соотношением оксидов 60,6:3,6:35,8 мол. %. Согласно литературным данным Al2O3-Y2O3-ZrO2 с таким соотношением не использовали ранее в качестве спекающей добавки для получения керамических материалов на основе карбида кремния. Температура плавления представленной добавки близка к температуре плавления YAG и равна 1860°С. Предполагается, что прочность самой спекающей добавки будет оказывать положительное влияние на конечные механические свойства керамики.
Давление при обжиге методом горячего прессования составляет 30 МПа, что является необходимым и достаточным для получения плотной керамической заготовки.
Для облегчения проведения предварительного одноосного одностороннего прессования использовали временную технологическую связку 3 мас. % 10-% водного раствора поливинилпирролидона, которая выжигается из керамического образца при проведении горячего прессования.
Отличие от прототипа состоит в том, что в качестве исходных компонентов используют порошки карбида кремния субмикронного размера (100-400 нм), полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, имеющие округлую форму частиц. В качестве спекающей добавки используют добавку в системе Al2O3-Y2O3-ZrO2 с соотношением оксидов 60,6:3,6:35,8 мол. %. Для облегчения проведения предварительного одноосного одностороннего прессования использовали временную технологическую связку 3 мас. % 10-% водного раствора поливинилпирролидона. Давление при обжиге методом горячего прессования составляет 30 МПа.
Способ изготовления горячепрессованного керамического материала из карбида кремния, включающий смешение порошков карбида кремния и спекающей добавки в системе Al2O3-Y2O3-ZrO2 в планетарной мельнице в течение 1 часа в изопропиловом спирте, сушку смеси, протирание через сито №0063, добавление 3 мас. % 10-% водного раствора поливинилпирролидона, предварительное одностороннее одноосное прессование в металлической пресс-форме при давлении 50 МПа, обжиг методом горячего прессования в графитовой пресс-форме в течение 60 минут в среде аргона, согласно изобретению в качестве исходных компонентов использовали порошок карбида кремния, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и спекающую добавку Al2O3-Y2O3-ZrO2, обжиг методом горячего прессования в графитовой пресс-форме в течение 60 минут в интервале температур 1700-1800°С при давлении 30 МПа.
Карбидокремниевой керамике присущ высокий уровень механических характеристик, такой как: низкая плотность и коэффициент линейного термического расширения, высокое значение прочности при изгибе и твердости по Виккерсу. Такой комплекс свойств позволяет широко использовать керамику из карбида кремния в различных областях техники и науки: в оборонной, металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, нефтеперерабатывающей промышленности, в авиа- и машиностроении и др.
Настоящее изобретение относится к технологии получения горячепрессованной карбидокремниевой керамики.
Изделия из предложенного керамического материала получают следующим образом:
В качестве исходных компонентов использовали порошок карбида кремния, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и спекающую добавку Al2O3-Y2O3-ZrO2. Исходный порошок карбида кремния получали методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (размеры частиц 100-400 нм, округлая форма). Спекающую добавку Al2O3-Y2O3-ZrO2 получали плазмохимическим методом. Порошок карбида кремния и спекающую добавку в количестве 10 мас. % смешивают в планетарной мельнице в течение 1 часа в изопропиловом спирте в тефлоновых барабанах и мелющими телами из диоксида циркония в форме шаров диаметром 5 мм. Высушенную смесь протирали через сито №0063, добавляли 3 мас. % 10-% водного раствора поливинилпирролидона и проводили предварительное одностороннее одноосное прессование в металлической пресс-форме при давлении 50 МПа. Полученный сырец подвергается обжигу методом горячего прессования в графитовой пресс-форме в интервале температур 1700-1800°С в течение 60 минут в среде аргона.
Керамику получали из одинакового количества и соотношения исходных компонентов при разной температуре обжига 1700, 1750 и 1800°С.
Пример 1. Готовят шихту следующего состава: порошок карбида кремния - 90,0 мас. %, спекающая добавка Al2O3-Y2O3-ZrO2 - 10,0 мас. %.
Порошки смешивали в планетарной мельнице в течение 1 часа в изопропиловом спирте в тефлоновых барабанах и мелющими телами из диоксида циркония в форме шаров диаметром 5 мм. Высушенную смесь протирали через сито №0063, добавляли 3 мас. % 10-% водного раствора поливинилпирролидона и проводили предварительное одностороннее одноосное прессование в металлической пресс-форме при давлении 50 МПа. Полученный сырец подвергается обжигу методом горячего прессования в графитовой пресс-форме при 1700°С в течение 60 минут в среде аргона. Полученный керамический материал имеет прочность при изгибе при комнатной температуре 170±25 МПа, плотность 2,95 г/см3, микротвердость по Виккерсу 13,2±0,5 ГПа, модуль упругости Юнга 150±15 ГПа.
П р и м е р 2. Готовят шихту следующего состава: порошок карбида кремния - 90,0 мас. %, спекающая добавка Al2O3-Y2O3-ZrO2 - 10,0 мас. %.
Порошки смешивали в планетарной мельнице в течение 1 часа в изопропиловом спирте в тефлоновых барабанах и мелющими телами из диоксида циркония в форме шаров диаметром 5 мм. Высушенную смесь протирали через сито №0063, добавляли 3 мас. % 10-% водного раствора поливинилпирролидона и проводили предварительное одностороннее одноосное прессование в металлической пресс-форме при давлении 50 МПа. Полученный сырец подвергается обжигу методом горячего прессования в графитовой пресс-форме при 1750°С в течение 60 минут в среде аргона. Полученный керамический материал имеет прочность при изгибе при комнатной температуре 290±23 МПа, плотность 3,00 г/см3, микротвердость по Виккерсу 16,4±0,6 ГПа, модуль упругости Юнга 190±13 ГПа.
Пример 3. Готовят шихту следующего состава: порошок карбида кремния - 90,0 мас. %, спекающая добавка Al2O3-Y2O3-ZrO2 - 10,0 мас. %.
Порошки смешивали в планетарной мельнице в течение 1 часа в изопропиловом спирте в тефлоновых барабанах и мелющими телами из диоксида циркония в форме шаров диаметром 5 мм. Высушенную смесь протирали через сито №0063, добавляли 3 мас. % 10-% водного раствора поливинилпирролидона и проводили предварительное одностороннее одноосное прессование в металлической пресс-форме при давлении 50 МПа. Полученный сырец подвергается обжигу методом горячего прессования в графитовой пресс-форме при 1800°С в течение 60 минут в среде аргона. Полученный керамический материал имеет прочность при изгибе при комнатной температуре 350±20 МПа, плотность 3,07 г/см3, микротвердость по Виккерсу 17,5±0,5 ГПа, модуль упругости Юнга 245±18 ГПа, тепловой коэффициент линейного расширения в интервале температур 20-1600°С равен 3,998×10-6К-1.

Claims (1)

  1. Способ получения горячепрессованной карбидокремниевой керамики, включающий смешение порошков карбида кремния и спекающей добавки в планетарной мельнице в течение 1 часа в изопропиловом спирте, сушку смеси, предварительное одностороннее одноосное прессование в металлической пресс-форме при давлении 50 МПа, обжиг методом горячего прессования в графитовой пресс-форме в среде аргона, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов использовали спекающую добавку Al2O3-Y2O3-ZrO2 и порошок карбида кремния, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, с размером частиц 100-400 нм, не требующий дополнительного измельчения, обжиг в течение 60 минут в интервале температуре 1700-1800°С при давлении 30 МПа.
RU2023118790A 2023-07-17 Способ получения горячепрессованной карбидокремниевой керамики RU2816616C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2816616C1 true RU2816616C1 (ru) 2024-04-02

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2402507C2 (ru) * 2008-06-24 2010-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт материалов" ФГУП "ЦНИИМ" Керамический материал и способ его изготовления
JP5250638B2 (ja) * 2008-01-17 2013-07-31 トムソン ライセンシング フリッカー測定方法
CN104140265B (zh) * 2014-07-28 2016-02-10 中国科学院上海硅酸盐研究所 采用液相烧结制备以氧化锆为增韧相的碳化硅陶瓷的方法
RU2749387C1 (ru) * 2020-10-16 2021-06-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Способ получения композиционного материала с керамической матрицей и послойной укладкой армирующего компонента в виде ткани карбида кремния

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5250638B2 (ja) * 2008-01-17 2013-07-31 トムソン ライセンシング フリッカー測定方法
RU2402507C2 (ru) * 2008-06-24 2010-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт материалов" ФГУП "ЦНИИМ" Керамический материал и способ его изготовления
CN104140265B (zh) * 2014-07-28 2016-02-10 中国科学院上海硅酸盐研究所 采用液相烧结制备以氧化锆为增韧相的碳化硅陶瓷的方法
RU2749387C1 (ru) * 2020-10-16 2021-06-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Способ получения композиционного материала с керамической матрицей и послойной укладкой армирующего компонента в виде ткани карбида кремния

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ПЕРЕВИСЛОВ С.Н. и др. "Горячепрессованные керамические материалы в системе SiC-YAG", Неорганические материалы, 2017, т.53, вып.2, с.206-211. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5470806A (en) Making of sintered silicon carbide bodies
Wan et al. Spark plasma sintering of silicon nitride/silicon carbide nanocomposites with reduced additive amounts
JPH0662338B2 (ja) 炭化珪素/グラフアイト/炭素の複合セラミツク体
JPH09175865A (ja) α型炭化ケイ素粉末組成物及びその焼結体の製造方法
JPS6256104B2 (ru)
US2636828A (en) Silicon nitride-bonded refractory oxide bodies and method of making
Hamasaki et al. Preparation and Characterization of Machinable Mica Glass‐Ceramics by the Sol‐Gel Process
JPH01301565A (ja) 高強度高耐酸化性サイアロン焼結体
JPS5851910B2 (ja) チツカケイソケイシヨウケツタイノセイゾウホウホウ
Suri et al. Liquid phase sintering of Si3N4/SiC nanopowders derived from silica fume
Lee Fabrication of Si3N4/SiC composite by reaction‐bonding and gas‐pressure sintering
RU2816616C1 (ru) Способ получения горячепрессованной карбидокремниевой керамики
JPH07109175A (ja) 高温で且つ苛酷な熱衝撃条件下での工業的な用途用の複合セラミック材料及びその製造方法
Semen et al. Structural ceramics derived from a preceramic polymer
US6197247B1 (en) Molybdenum disilicide composites
JPH0772108B2 (ja) β−サイアロン焼結体の製造方法
RU2795405C1 (ru) Способ получения армированного композиционного материала на основе карбида кремния
JP3153518B2 (ja) 炭化ケイ素炭素複合セラミックス
JP4796717B2 (ja) Si3N4−SiC複合焼結体の製造方法
RU2757607C1 (ru) Способ получения 21R-сиалоновой керамики
JPH05117030A (ja) 複合セラミツクスおよびその製造法
JP3318466B2 (ja) 窒化珪素質焼結体およびその製造方法
RU2054396C1 (ru) Способ получения корундомуллитовой керамики scnalox - mc
JPS60255672A (ja) 炭化珪素質焼結体の製造方法
JPH08198664A (ja) アルミナ基焼結体およびその製造方法