RU2458022C1 - Наномодифицированная кварцевая керамика с повышенной высокотемпературной прочностью - Google Patents
Наномодифицированная кварцевая керамика с повышенной высокотемпературной прочностью Download PDFInfo
- Publication number
- RU2458022C1 RU2458022C1 RU2011104828/03A RU2011104828A RU2458022C1 RU 2458022 C1 RU2458022 C1 RU 2458022C1 RU 2011104828/03 A RU2011104828/03 A RU 2011104828/03A RU 2011104828 A RU2011104828 A RU 2011104828A RU 2458022 C1 RU2458022 C1 RU 2458022C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- quartz
- ceramic
- temperature
- temperature strength
- nanoparticles
- Prior art date
Links
Landscapes
- Glass Compositions (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии получения модифицированных керамических материалов на основе кварцевого стекла с повышенной высокотемпературной прочностью и может быть использовано для создания изделий различного назначения. Наномодифицированная кварцевая керамика, включающая пористую керамическую основу из зерен кварцевого стекла и модифицирующую добавку из оксида алюминия, в качестве основы содержит обожженную кварцевую керамику или изделия из нее с открытой пористостью 7-14%, полученные методом водного шликерного литья из полидисперсной суспензии с размером зерен от 0,1 до 500 мкм, при содержании частиц 0,1-5,0 мкм 20-30%, частиц 60-500 мкм 2-10%. В качестве модифицирующей добавки материал содержит наночастицы α-Al2O3 в количестве 1,0-2,5 вес.%, внедренные в зоны стыка зерен кварцевого стекла за счет массопереноса. Наночастицы α-Al2O3 получают за счет пропитки керамической основы водным раствором соли алюминия Al(NO3)3·9H2O, сушки и пиролиза при температуре 400-600°С. Технический результат изобретения - повышение высокотемпературной прочности кварцевой керамики при сохранении диэлектрических и теплофизических свойств. 1 пр., 1 табл.
Description
Изобретение относится к керамической промышленности, а точнее к технологии получения модифицированных керамических материалов на основе кварцевого стекла с повышенной высокотемпературной прочностью для изготовления керамических изделий различного назначения.
Известны модифицированные керамические материалы на основе кварцевого стекла: кварцевая керамика с повышенной излучательной способностью - материал ТСМ-983 с добавкой 0,5-1,5% Cr2O3 (Н.В.Соломин, Ф.Я.Бородай, М.А.Суслова. Кварцевая стеклокерамика-легированная окисью хрома (силихрит). Сб. «Новые неорганические материалы». Вып.2, с.240-241, 1972) /1/, кварцевая керамика с повышенной абляционной стойкостью и радиопрозрачностью при высоких температурах - материал ТСМ-108 с добавкой 0,5-2,0% Si3N4 (авт. свид. СССР №540844, кл. С04В 35/14. Керамический материал. 1976) /2/, кварцевая керамика с пониженной температурой спекания - материала ТСМ-107 с добавкой 0,5-1,0% BN /3/, кварцевая керамика, поглощающая СВЧ излучение - материал с добавкой 1-3% SiC - волокон (патент РФ №2069204, кл. С04В 35/14. Шихта для получения кварцевой керамики. 1996) /4/ и др. Материалы получены путем введения небольшого количества модифицирующей добавки в виде порошка или измельченных волокон с размером частиц 0,5-500 мкм в водный шликер кварцевого стекла, последующего перемешивания до получения однородной массы, шликерного литья, сушки и обжига изделий. Обладая определенным преимуществом перед обычной кварцевой керамикой по отдельным характеристикам, все они имеют общий недостаток - сравнительно низкую температуру начала деформации. Текучесть наблюдается уже при температурах 1100-1200°С.
Известно также, что для повышения огнеупорности и высокотемпературной прочности разработаны керамические материалы на основе кварцевого стекла с добавками Al2O3 (Ю.Е.Пивинский, К.В.Тимошенко. Реотехнологические свойства смешанных суспензий в системе SiO2-Al2O3 и некоторые свойства материалов на их основе. «Огнеупоры и техническая керамика» №7, с.18-23, 2000 г., №9, с.42-46, 2001 г.) /5/. Ощутимые результаты получены только при введении более 20% Al2O3 в виде глинозема или электрокорунда. Однако такие материалы имеют высокую пористость, низкую термостойкость и плохие диэлектрические характеристики. Ухудшение физико-технических свойств материалов связано с неудовлетворительными реологическими параметрами комбинированных шликеров, усилением кристобалитизации кварцевого стекла при обжиге.
Наиболее близким по химическому составу и технологии получения является кварцевая керамика ОТМ-604, ТУ 1.596-135-81, модифицированная 0,5-1,5% Al2O3 (Е.И.Суздальцев. Радиопрозрачные высокотермостойкие материалы XXI века. «Огнеупоры и техническая керамика» №3, с.42-50, 2002 г.) /6/. Способ получения изделий из этого материала по всем технологическим параметрам сходен с получением изделий из обычной кварцевой керамики ниасит ТУ 1.596-195-84. Наличие в составе материала модифицирующей добавки Al2O3 вызвано натиром глинозема в процессе помола кварцевого стекла в мельницах футерованных корундовой плиткой алундовыми мелющими телами. Повышение высокотемпературной прочности не наблюдается.
Целью настоящего изобретения является повышение высокотемпературной прочности кварцевой керамики без ухудшения остальных свойств: низкого коэффициента термического расширения и высокой термостойкости, стабильных диэлектрических характеристик в широком интервале температур, низкой теплопроводности и др. Кроме того, технология получения материала и изделий из него должна обеспечивать производство изделий различного назначения, в том числе и крупногабаритных.
Поставленная цель достигается тем, что наномодифицированная кварцевая керамика с повышенной высокотемпературной прочностью, включающая пористую керамическую основу и модифицирующую добавку из оксида алюминия, отличающаяся тем, что в качестве основы используют обожженную кварцевую керамику или изделий из нее с открытой пористостью 7-14%, полученные методом водного шликерного литья из полидисперсной суспензии с размером зерен от 0,1 до 500 мкм при содержании частиц 0,1-5,0 мкм 20-30%, частиц 60-500 мкм 2-10%, а в качестве модифицирующей добавки используют наночастицы α-Al2O3 в количестве 1,0-2,5 вес.%, полученные за счет пропитки керамической основы водного раствора соли алюминия Al(NO3)3·9H2O, сушки и пиролиза при температуре 400-600°С с массопереносом наночастиц в зоны стыка зерен кварцевого стекла.
Исследованиями авторов установлено следующее.
Повышение высокотемпературной прочности кварцевой керамики при сохранении основных свойств (диэлектрических, теплофизических и др.) можно достичь за счет введения в обожженный материал в зоны контактов зерен кварцевого стекла небольшого количества (1,0-2,5 вес.%) наночастиц α-Al2O3. Повторный обжиг материала не требуется. Наноразмерные частицы α-Al2O3 получали путем пропитки кварцевой керамики водным раствором азотнокислой соли Al(NO3)3·9H2O с последующим пиролизом при температурах 400-600°С.
Определены также требования к исходному керамическому материалу - пористость (7-14%), размеры и соотношение крупных и мелких зерен полидисперсного материала для обеспечения сквозной пропитки водного раствора соли капиллярной структурной керамики, а также обеспечения протекания направленного массопереноса наночастиц α-Al2O3 из паровой фазы в зоны стыка зерен кварцевого стекла за счет разницы давления в поровом пространстве. В качестве основы для получения модифицированной кварцевой керамики с повышенной высокотемпературной прочностью может быть не только обычная кварцевая керамика с указанными структурными характеристиками, но и предварительно модифицированные известными способами керамические материалы на основе кварцевого стекла ТСМ-983, ТСМ-107, ТСМ-108 и др.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Методом водного шликерного литья в гипсовых формах отливают заготовки материала или изделия из обычной кварцевой керамики. В качестве сырья служит прозрачное или непрозрачное кварцевое стекло. Помол и приготовление водной суспензии осуществляют в шаровых мельницах, футерованных кварцевым стеклом, а в качестве мелющих тел используют штабики из кварцевого стекла. Полученный шликер должен быть полидисперсным с содержанием тонкой фракции (0,1-5,0 мкм) 20-30%, крупной фракции (60-500 мкм) 2-10%. Это реализуется подбором времени помола. После сушки заготовки обжигают в электрических печах при максимальной температуре 1240±20°С до получения открытой пористости 7-14%.
Пористый материал или готовые изделия пропитывают водным раствором соли алюминия, например, Al(NO3)·9H2O, затем изделия, образцы сушат и термообрабатывают до полного удаления воды и завершения пиролиза нитрата алюминия при температуре 400-600°С в течение 2-6 часов. Если привес менее 1%, изделие поступает повторно на пропитку и термообработку. Содержание α-Al2O3 в материале должно находиться в пределах 1,0-2,5 вес.%. Увеличение концентрации α-Al2O3 приводит к уменьшению термостойкости, ухудшению диэлектрических характеристик материала.
Сопоставительный анализ с прототипом и аналогами показывает, что предложенное техническое решение отличается по следующим признакам:
- в качестве модифицирующей добавки применены наночастицы α-Al2O3 в количестве 1,0-2,5 вес.%, полученные в процессе пиролиза водорастворимой соли алюминия Al(NO3)·9H2O в порах модифицируемого материала;
- увеличение высокотемпературной прочности кварцевой керамики за счет введения α-Al2O3 достигнуто при малом количестве модифицирующей добавки в связи с тем, что огнеупорная добавка введена не просто в поровое пространство, а в зоны стыка частиц кварцевой керамики, прежде всего тонкодисперсных, где возникают опасные тепловые и механические нагрузки:
- массоперенос модифицирующей добавки обеспечен за счет специально подобранной основы - кварцевой керамики с заданной пористостью и зерновым составом;
- сохранение диэлектрических и теплофизических свойств кварцевой керамики, включая такие, как ТКЛР, стойкость к термоудару, стабильность диэлектрической проницаемости в широком интервале температур и др. обеспечен не только благодаря небольшому количеству α-Al2O3, но и ограничением температуры термообработки после введения модификатора до 600°С, что исключило кристаллизацию кварцевой керамики.
Пример конкретного выполнения предлагаемого изобретения.
Мокрым помолом кварцевого стекла ТУ ЩЛО.027.252 в шаровых мельницах готовят водный шликер кварцевого стекла с последующей стабилизацией до получения технологических параметров:
плотность - 1,87-1,91 г/см3;
вязкость - 20-40 с по ВЗ-1;
рН - 5,6-6,5;
зерновой состав: частиц 0,1-5,0 мкм - 20-30%;
частиц 60-500 мкм - 2-10%;
частицы 5,0-60 мкм - остальное.
Отлитые в гипсовых формах образцы и изделия различных форм с толщиной стенки 10-20 мм сушат и обжигают в силитовых печах с воздушной средой по следующему режиму:
- подъем температуры до максимальной со скоростью 300 град/час;
- выдержка при температуре 1240±20°С в течение 1-3 часов;
- охлаждение произвольное вместе с печью.
Пористость материала находится в пределах 7-14%. Обожженные образцы, изделия пропитывали 40-50% водным раствором нитрата алюминия Al(NO3)·9H2O ГОСТ 3757-75 до полного насыщения пор раствором за счет капиллярных свойств пористой керамики. В дальнейшем образцы, изделия сушат в сушильных шкафах при температуре 100±5°С и термообрабатывают в электрических печах при температуре 400-600°С в течение 2-6 часов. Указанные температурно-временные интервалы обеспечивают полный пиролиз нитрата алюминия с образованием α-Al2O3 в виде наночастиц размером 50-150 нм. Количество Al2O3 в материале контролировали по привесу. Если содержание модифицирующей добавки менее 1 вес.%, проводится повторная пропитка, сушка и термообработка изделий.
Аналогичным способом производится наномодифицирование известных уже модифицированных керамических материалов на основе кварцевого стекла ТСМ-983, ТСМ-107, ТСМ-108 и др. Модифицирующая добавка в виде порошка модификатора, например порошка Cr2O3 микронного размера, вводится в водный шликер кварцевого стекла, затем, после сушки и обжига керамики, изделий, производилось модифицирование материала наночастицами по вышеописанной технологии.
Сравнительные испытания обычной кварцевой керамики материала ниасит ТУ 1.596-195-84 и наномодифицированной кварцевой керамики по предлагаемому техническому решению показали заметное увеличение высокотемпературной прочности для модифицированного материала при сохранении диэлектрических, теплофизических характеристик. В таблице 1 приведены свойства обычной и модифицированной керамики (плотность - ρ, прочность при изгибе - σизг., ТКЛР, теплопроводность - λ, диэлектрическая проницаемость на частоте 1010 Гц - ε и ее изменение при нагреве - Δε, угловые потери СВЧ - tgδ).
| Таблица 1 | |||||||||||
| Материал | ρ, г/см3 | σизг., МПа | ТКЛР×107, 1/°С | λ, Вт/м×K 20-1100°С | ε, f=1010 Гц | Δε 20-1200°С | tgδ×104 | ||||
| 25°С | 1200°С | 1250°С | 1300°С | 20°С | 1200°С | ||||||
| Керрамика ТУ 1.596-195-84 | 1.98 | 60 | 85 | 25* | 5,1 | 0,6-1,6 | 3,4 | ≤3% | 10 | ≤30 | |
| Керами ка наномодифиц. | 1,98 | 65 | 95 | 110 | 50* | 5,2 | 0,8-1,7 | 3,4 | 3% | 10 | 30 |
| * разрушение образцов сопровождается пластической деформацией | |||||||||||
Видно, что наномодифицированный материал имеет все достоинства обычной кварцевой керамики, но отличается повышенной высокотемпературной прочностью. Температурный диапазон применения материала и изделий, работающих в условиях силовых и тепловых нагрузок, примерно на 100°С выше, чем для обычной кварцевой керамики. Материал найдет применение для изделий различного назначения, где предъявляется широкий комплекс прочностных, теплофизических и других требований в более широком интервале температур.
Технология получения наномодифицированной кварцевой керамики и изделий из нее, в том числе и крупногабаритных, не требует дорогостоящего сырья и оборудования и может быть реализована на любом керамическом производстве.
Источники информации
1. Н.В.Соломин, Ф.Я.Бородай, М.А.Суслова. Кварцевая стеклокерамика, легированная окисью хрома (силихрит). Сб. «Новые неорганические материалы». Вып.2, с.240-241, 1972.
2. Авт. свид. СССР №540844, кл. С04В 35/14. Керамический материал. 1976.
3. Авт. свид. СССР №501052, кл. С04В 35/14. Керамический материал. 1976.
4. Патент РФ №2069204, кл. С04В 35/14. Шихта для получения кварцевой керамики. 1996.
5. Ю.Е.Пивинский, К.В.Тимошенко. Реотехнологические свойства смешанных суспензий в системе SiO2-Al2O3 и некоторые свойства материалов на их основе. «Огнеупоры и техническая керамика», №7, с.18-23, 2000 г., №9, с.42-46, 2001 г.
6. Е.И.Суздальцев. Радиопрозрачные высокотермостойкие материалы XXI века. «Огнеупоры и техническая керамика» №3, с.42-50, 2002 г.
Claims (1)
- Наномодифицированная кварцевая керамика с повышенной высокотемпературной прочностью, включающая пористую керамическую основу и модифицирующую добавку из оксида алюминия, отличающаяся тем, что в качестве основы используют обожженную кварцевую керамику или изделия из нее с открытой пористостью 7-14%, полученные методом водного шликерного литья из полидисперсной суспензии с размером зерен от 0,1 до 500 мкм, при содержании частиц 0,1-5,0 мкм 20-30%, частиц 60-500 мкм 2-10%, а в качестве модифицирующей добавки используют наночастицы α-Al2O3 в количестве 1,0-2,5 вес.%, полученные за счет пропитки керамической основы водным раствором соли алюминия Al(NO3)3·9H2O, сушки и пиролиза при температуре 400-600°С с массопереносом наночастиц в зоны стыка зерен кварцевого стекла.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011104828/03A RU2458022C1 (ru) | 2011-02-09 | 2011-02-09 | Наномодифицированная кварцевая керамика с повышенной высокотемпературной прочностью |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011104828/03A RU2458022C1 (ru) | 2011-02-09 | 2011-02-09 | Наномодифицированная кварцевая керамика с повышенной высокотемпературной прочностью |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2458022C1 true RU2458022C1 (ru) | 2012-08-10 |
Family
ID=46849573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011104828/03A RU2458022C1 (ru) | 2011-02-09 | 2011-02-09 | Наномодифицированная кварцевая керамика с повышенной высокотемпературной прочностью |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2458022C1 (ru) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2525892C1 (ru) * | 2013-07-01 | 2014-08-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (ОАО "НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова") | Способ получения кварцевой керамики |
| RU2539088C1 (ru) * | 2013-10-25 | 2015-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ получения безобжиговой кварцевой керамики для стекловарения |
| RU2640326C1 (ru) * | 2016-10-31 | 2017-12-27 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" | Способ получения кварцевой керамики и изделий из нее |
| CN113896516A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-01-07 | 连云港太阳光石英陶瓷有限公司 | 一种石英陶瓷辊的制备方法 |
| RU2815703C1 (ru) * | 2023-02-14 | 2024-03-20 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НПО ГОИ им. С.И. Вавилова) | Способ получения кварцевой керамики |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3250833A (en) * | 1959-05-29 | 1966-05-10 | Avco Corp | Process of making an impregnated ceramic |
| RU2270180C2 (ru) * | 2004-04-01 | 2006-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" | Способ получения композиционного материала и материал, изготовленный этим способом |
| RU2383579C1 (ru) * | 2008-06-25 | 2010-03-10 | Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук | Способ получения люминесцентного наноструктурного композиционного керамического материала |
-
2011
- 2011-02-09 RU RU2011104828/03A patent/RU2458022C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3250833A (en) * | 1959-05-29 | 1966-05-10 | Avco Corp | Process of making an impregnated ceramic |
| RU2270180C2 (ru) * | 2004-04-01 | 2006-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" | Способ получения композиционного материала и материал, изготовленный этим способом |
| RU2383579C1 (ru) * | 2008-06-25 | 2010-03-10 | Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук | Способ получения люминесцентного наноструктурного композиционного керамического материала |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| СУЗДАЛЬЦЕВ Е.И. Радиопрозрачные высокотермостойкие материалы XXI века. Огнеупоры и техническая керамика, 2002, № 3, с.42-50. * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2525892C1 (ru) * | 2013-07-01 | 2014-08-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (ОАО "НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова") | Способ получения кварцевой керамики |
| RU2539088C1 (ru) * | 2013-10-25 | 2015-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ получения безобжиговой кварцевой керамики для стекловарения |
| RU2640326C1 (ru) * | 2016-10-31 | 2017-12-27 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" | Способ получения кварцевой керамики и изделий из нее |
| CN113896516A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-01-07 | 连云港太阳光石英陶瓷有限公司 | 一种石英陶瓷辊的制备方法 |
| CN113896516B (zh) * | 2021-11-08 | 2022-07-29 | 连云港太阳光石英陶瓷有限公司 | 一种石英陶瓷辊的制备方法 |
| RU2815703C1 (ru) * | 2023-02-14 | 2024-03-20 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НПО ГОИ им. С.И. Вавилова) | Способ получения кварцевой керамики |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kamseu et al. | Characterisation of porcelain compositions using two china clays from Cameroon | |
| Wang et al. | Effect of BN content on microstructures, mechanical and dielectric properties of porous BN/Si3N4 composite ceramics prepared by gel casting | |
| Li et al. | A simple and efficient way to prepare porous mullite matrix ceramics via directly sintering SiO2-Al2O3 microspheres | |
| RU2458022C1 (ru) | Наномодифицированная кварцевая керамика с повышенной высокотемпературной прочностью | |
| CN107266052B (zh) | 矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料及其制备方法 | |
| RU2588634C9 (ru) | Способ получения керамического расклинивающего агента (варианты) | |
| WO2021112169A1 (ja) | 無機繊維成形体、加熱炉、構造体、及び無機繊維成形体の製造方法 | |
| JP6873427B2 (ja) | 多孔質セラミックスの製造方法 | |
| CN105294121B (zh) | 一种抗热震的轻质耐火骨料 | |
| JP5769313B2 (ja) | 低熱膨張断熱キャスタブル | |
| CN105294122B (zh) | 一种高强度轻质耐火骨料 | |
| RU2462435C1 (ru) | Бетонная масса | |
| JP5928694B2 (ja) | アルミナ質焼結体及びその製造方法 | |
| RU2564330C1 (ru) | Состав для изготовления легковесного огнеупора | |
| RU2522550C1 (ru) | Способ изготовления стеклокерамического материала кордиеритового состава | |
| RU2301211C1 (ru) | Высокоглиноземистая вяжущая суспензия для получения керамического материала | |
| Mukhopadhyay et al. | Effect of synthetic mullite aggregate on clay-based sol-bonded castable | |
| RU2619570C1 (ru) | Способ изготовления стеклокерамического материала кордиеритового состава | |
| RU2657878C1 (ru) | Шихта для изготовления термостойких керамических изделий | |
| JP6320872B2 (ja) | 中空粒子および中空粒子を含む断熱材 | |
| KR101693077B1 (ko) | 저열팽창성 내열자기 | |
| KR101315631B1 (ko) | 리튬용액 침투에 의한 ｌａｓ계 내열 세라믹스의 제조방법 | |
| Sedaghat et al. | Sol-gel synthesis and characterization of alumina-15% mullite composite nanopowder | |
| Podbolotov et al. | Synthesis and reinforcement of heat-resistant cordierite-mullite ceramic structure with introduction of a fiber filler | |
| KR102383312B1 (ko) | 내화성 세라믹 배치 및 내화성 세라믹 제품을 제조하기 위한 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140210 |