Керамический материал
Патент 2502705
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Керамический материал
Изобретение относится к керамическим материалам, которые пригодны для динамических нагрузок и могут быть использованы для изготовления броней и плит при обстреле. Согласно изобретению керамический материал имеет следующий химический состав: от 24 до 25,5 вес.% ZrO2, от 0,26 до 0,35 вес.% Сr2О3, от 0,50 до 0,60 вес.% Y2О3 по отношению к ZrO2, от 0,7 до 0,85 вес.% SrO, от 0 до 0,5 вес.% ТiO2 и от 0 до 0,5 вес.% MgO, а также Al2O3 в дополнение до 100 вес.%. В составе спеченного изделия в матрице из оксида алюминия находятся включения оксида циркония и пластинчатые кристаллиты алюмината стронция. Технический результат изобретения - повышение устойчивости к трещинам и повреждениям, повышение твердости материала. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 табл.
Реферат
Изобретение относится к керамическому материалу, который пригоден, в частности для получения спеченного формованного изделия для динамических нагрузок.
Керамические материалы предоставляют множество возможностей использования. Их состав может быть подобран за счет целевых добавок определенных элементов и/или их соединений согласно предусмотренному в каждом случае использованию. Оксид алюминия и оксид циркония являются, например, керамическими материалами, которые перерабатываются отдельно или в комбинации друг с другом, среди прочего, в инструменты для резания, носители катализаторов или протезы.
Спеченные формованные изделия из керамических материалов являются хрупкими и поэтому, как правило, не пригодны для динамических нагрузок, вызванных, в частности, за счет вибраций или ударов.
Задачей изобретения является создание керамического материала, который пригоден для получения спеченных формованных изделий для динамических нагрузок.
Поразительным образом было показано, что материал, представляющий собой оксид алюминия, в составе, исполненном впоследствии в виде таблетки в металлокерамическом материале, пригоден в качестве рабочего вещества для спеченного формованного изделия со способностью к адсорбции энергии при динамической нагрузке. Тем самым этот материал пригоден, в частности, для получения спеченного формованного изделия для использования в качестве защитной керамики, также для изготовления деталей, при использовании которых требуется адсорбция энергии, как например, при защите брони, в частности, при обстреле плит.
| Материал | Вес.% | Вес.% |
| ZrO2 | 24,0 | 25,5 |
| Сr2О3 | 0,26 | 0,35 |
| Y2O3 (по отношению к ZrO2) | 0,50 | 0,6 |
| SrO | 0,70 | 0,85 |
| ТiO2 | 0 | 0,5 |
| МgО | 0 | 0,5 |
| Оксид алюминия в соответствующем дополнении до 100 вес.% |
Доминирующим элементом структуры такой комбинации материалов является оксид алюминия. Поэтому отличительные черты, определяющие свойства, спеченных формованных изделий полученных из заявленного материала, такие как твердость, модуль упругости и теплопроводность, близко подходят к свойствам чистого оксида алюминия. Сырьевые вещества используются предпочтительно высокой степени чистоты. В спеченных формованных изделиях, полученных из заявленного материала, за счет высокой степени чистоты сырьевых веществ граничные фазы зерен образуются в чрезвычайно незначительном объеме. Алюминат стронция образует характерные пластинчатые кристаллиты, бляшки, которые существенно способствуют повышению твердости.
Компоненты - оксид циркония и алюминат стронция - способствуют повышению устойчивости к трещинам, которая лежит примерно на 60% выше, чем в случае чистого оксида алюминия. За счет этих усиливающих компонентов повышается твердость почти в два раза, одновременно повышается устойчивость к повреждениям, то есть свойство детали сохранять при возможном повреждении также еще высокую остаточную твердость.
При высокой механической нагрузке спеченного формованного изделия, изготовленного из рассматриваемого материала, поразительным образом активируются механизмы, которые, например, замедляют или останавливает распространение трещин. Самым важным механизмом при этом является индуцируемое напряжением превращение оксида циркония из тетрагональной в моноклинную фазу. Увеличение объема оксида циркония, происходящее при превращении, вызывает образование локальных напряжений, которые противодействуют внешней растягивающей нагрузке и тем самым препятствует росту трещин.
За счет введенных бляшек поразительным образом изменяется направление распространения трещин, так что при распространении трещин адсорбируется дополнительная энергия.
В качестве особенности заявляемого спеченного формованного изделия, получаемого из рассматриваемого материала, следует указать, что оба механизма взаимно усиливают друг друга, так что эффективное повышение ударной вязкости разрушения даже больше, чем следовало бы ожидать за счет простого добавления отдельных механизмов
Предпочтительный состав материала и свойства получаемого из него спеченного формованного изделия приведен ниже:
| Нагрузка, PL-заданные величины | ZrO2 | Y2O3 | Сr2O3 | SrO | ED 2000 | 4-Pkt-твердость | Мин BFK | Модуль Вейбулла | HV10 | моно | Klc | Размер зерен |
| вес.% | вес.% | вес.% | вес.% | г/см3 | МПа | МПа | % | МПа м0,5 | мк | |||
| мин | 24,0 | 0,50 | 0,26 | 0,70 | 4,360 | 1000 | 700 | 7 | 1740 | 10 | 5,5 | среднее |
| макс | 25,5 | 0,65 | 0,35 | 0,85 | ≥ | ≥ | ≥ | ≥ | ≤ | ≥ | 0,58 | |
| Содержание Аl2О3 дополняется от 72,65 вес.% до 74,54 вес.% |
Примеси, обусловленные сырьем (<0,05 вес.-%), возможны, но из-за их ничтожной доли отдельно не приводятся.
Изготовление спеченных формованных изделий из заявляемого материала происходит с помощью обычной технологии для керамики. Основными стадиями процесса являются:
a) растворение смеси порошков согласно заданному составу в воде, использование дефлегматора для устранения седиментации;
b) гомогенизация в дизольвере (быстроработающая мешалка);
c) размалывание в шаровой мельнице с мешалкой, при этом происходит увеличение удельной поверхности смеси порошков (=измельчение);
d) добавление органических связующих;
e) распылительная сушка, при этом образуется сыпучий гранулят с определенными свойствами;
f) увлажнение гранулята водой;
g) осевое или изостатическое прессование;
h) снимающая стружку первоначальная обработка, при этом при принятии во внимание усадки при обжиге в значительной степени вырисовывается конечный контур;
i) предварительный обжиг, при этом усадка примерно до 98% теоретической плотности. Еще оставшиеся остаточные поры закрываются снаружи;
j) горячее изостатическое прессование при высокой температуре и высоком давлении газа, тем самым практически полное конечное уплотнение;
k) так называемый белый обжиг, тем самым неравновесие ионов кислорода в керамике, возникающее при горячем изостатическом прессовании, выравнивается;
l) твердая обработка за счет шлифования и полирования;
m) обжиг.
В результате формования из керамического материала изделия из оксидов алюминия и стронция in situ образуется алюминат стронция, который включен в матрицу оксида алюминия.
Свойства спеченного формованного изделия из заявляемого материала могут быть усилены еще за счет включений. Так, возможно перед формованием спеченного формованного изделия вмешать в материал монокристаллы стержневой формы и/или волокна или ввести в материал в первоначальном состоянии сетчатые структуры или ткань. Монокристаллы стержневой формы, волокна или сетка или ткань должны быть из материала, который не вступает с керамическим материалом каким-либо способом во взаимодействие, так что не наступает ухудшение его свойств. Такими материалами являются, например, карбиды, нитриды или карбонитриды металлов 4-ой и 5-ой побочной группы периодической системы элементов. Кроме того, материал во время спекания не должен изменяться каким-либо способом, так что материал не повреждается.
Спеченные формованные изделия, которые изготавливаются из заявляемого материала, поразительным образом объединяют, соответственно, самые лучшие свойства конкурирующих друг с другом керамических материалов - оксида алюминия и оксида циркония, в частности для использования в качестве защитной керамики: твердость, устойчивость к старению, свойства смачиваемости по отношению к воде и высокая теплопроводность - это свойства, которые присущи спеченным формованным изделиям из оксида алюминия, высокая твердость и высокая ударная вязкость при образовании трещин, то есть устойчивость к повреждению - это свойства, которые присущи спеченным формованным изделиям из оксида циркония.
1. Керамический материал, отличающийся тем, что он содержит от 24 до 25,5 вес.% ZrO2, от 0,26 до 0,35 вес.% Cr2О3, от 0,50 до 0,60 вес.% Y2О3 по отношению к ZrO2, от 0,7 до 0,85 вес.% SrO, от 0 до 0,5 вес.% TiO2 и от 0 до 0,5 вес.% MgO, а также Аl2О3 в дополнение до 100 вес.%.
2. Керамический материал по п.1, отличающийся тем, что материал дополнительно пронизан монокристаллами стержневой формы и/или волокнами или сетчатыми структурами или тканями из подходящих материалов, которые не вступают с керамическим материалом каким-либо способом во взаимодействие, так что не наступает ухудшение его свойств.
3. Спеченное формованное изделие, полученное из керамического формованного материала по п.1 или 2.
4. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что измеренная в 4 точках прочность при изгибе составляет ≥ 1000 МПа.
5. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что ударная вязкость при разрыве Klс≥5,5 МПам0,5.
6. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что модуль Вейбулла ≥7.
7. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что твердость HV10≥1740.
8. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что плотность ED2000≥4,360 г/см3.
9. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что в матрицу из оксида алюминия включены оксид циркония и алюминат стронция.
10. Спеченное формованное изделие по п.3, отличающееся тем, что алюминат стронция находится в форме пластинчатых кристаллитов, бляшек.
11. Применение спеченного формованного изделия по одному из пп.3-10 для изготовления деталей со способностью к поглощению энергии при динамической нагрузке.
12. Применение спеченного формованного изделия по одному из пп.3-10 для изготовления броней, в частности, плит при обстреле.