Способ получения керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения

Способ получения керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения

Реферат

Изобретение относится к получению керамических композитов с нулевым коэффициентом термического линейного расширения, предназначенных для изготовления, в частности, запорных элементов нефтегазового комплекса.

Известна работа Lommens, P.P. Synthesis and thermal expansion of ZrO₂/ZrW₂O₈ composites / P.P. Lommens et. al. // Journal of the European Ceramic Society. - 2005. - V. 25(16). - P. 3605-3610 [1]

В этой работе, керамический композит из ZrW₂O₈ и ZrO₂ был синтезирован для того, чтобы исследовать возможность компенсации положительного теплового расширения ZrO₂ с отрицательным тепловым расширением (NTE) соединения ZrW₂O₈. Материал NTE смешивали с различными количествами ZrO₂. Коэффициенты теплового расширения этой серии композитов уменьшается с увеличением количества ZrW₂O₈. Тем не менее, отрицательное отклонение от ожидаемых значений по правилу смесей было установлено, что наиболее выражено в середине значений по правилу смесей.

Недостатком известного технического решения является невысокие прочностные характеристики керамического материала, полученного данным способом.

Известна работа Yang, X. Synthesis of ZrO₂/ZrW₂O₈ composites with low thermal expansion / X. Yang et. al. // Com. Sci. Tech. - 2007. - V. 67. - P. 1167-1171 [2].

В этой работе, ZrO₂/ZrW₂O₈ композиты с очень низким коэффициентом теплового расширения были успешно синтезированы. Отрицательное тепловое расширение материала ZrW₂O₈, который синтезировали по способу сгорания, смешивают с ZrO₂ при различных соотношениях и спекают при 1473 К в течение 24 ч. Тепловое расширение композитов можно регулировать, оно может быть положительным, отрицательным или даже равен нулю. Композиционный материал имеет почти нулевой тепловое расширение, когда объемная доля ZrW₂O₈ 37%. Небольшое количество добавки Al₂O₃ может быстро увеличить плотность композитов с небольшим воздействием на свойство теплового расширения по формированию твердого раствора и жидкой фазы.

Недостатком известного технического решения является то, что длительное спекание материала по данному способу приводит к увеличению размера зерна, что уменьшает прочностные характеристики композита.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения (КТЛР).

Техническим результатом изобретения является получение керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения (КТЛР) и высокими физико-механическими свойствами.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения включает приготовление порошковой смеси из оксида циркония и/или оксида алюминия, формование заготовки и спекание, при этом порошковая смесь дополнительно содержит наноструктурный вольфрамат циркония при следующем соотношении компонентов, мас. %:

вольфрамат циркония	5-15
оксид циркония
и/или оксид алюминия	остальное

спекание проводят при температуре 1350-1550°C, затем дополнительно осуществляют закалку при температуре 1175-1200°C, с последующим охлаждением со скоростью 200-250°C/сек.

Для приготовления порошковой смеси используют диоксид циркония, стабилизированный, например, 3-5 мас. % Y₂O₃, с содержанием моноклинной фазы ZrO₂ не более 10%. В предлагаемом способе используют наноструктурный вольфрамат циркония, полученный гидротермальным методом. Формование заготовки проводят холодным или горячим прессованием.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Керамические материалы имеют достаточно невысокие значения коэффициента теплового расширения по сравнению с металлами и полимерами, и в условиях работы в области высоких температур, а также резких перепадах температур происходит изменение линейных размеров или растрескивание изделия, элемента конструкции. Кроме этого, в процессе циклических термических нагружениях в структуре материала могут формироваться нежелательные внутренние напряжения, вызванные различными значениями коэффициентов теплового расширения. Одним из способов решением обозначенной проблемы является создание керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения.

Отличительной чертой оксидной керамики является термические свойства, отвечающие за поведение материала при высокотемпературных воздействиях. Для керамических материалов важными термическими свойствами являются огнеупорность, термостойкость, низкий коэффициент термического расширения.

На значение коэффициента термического расширения диоксида циркония влияет количество стабилизирующей добавки, с повышением степени стабилизации и плотности материала КТЛР увеличивается.

Для предлагаемого способа предпочтительно использование диоксида циркония, стабилизированного, например, 3-5 мас. % Y₂O₃, с содержанием моноклинной фазы ZrO₂ не более 10%.

Введение в состав оксидного композита исходных компонентов с низким или отрицательным коэффициентом термического расширения позволит не только контролировать, но и задавать необходимое значение коэффициента термического расширения конечного материала. Данный технологический прием позволит получать керамические композиционные материалы с размерной инвариантностью (нулевым КТЛР), которая достигается за счет компенсации расширения исходного компонента с положительным КТЛР тепловым сжатием исходного компонента с низким или отрицательным КТЛР

Использование в качестве компенсатора термического расширения оксидной керамики компонента с более низким значением коэффициента термического расширения позволит получать керамические композиты с нулевым КТЛР.

Техническое решение возможно с использованием наноструктурного вольфрамата циркония. Комбинация оксидов, в частности, оксида циркония или оксида алюминия или их гомогенной смеси с положительным коэффициентом теплового расширения с наноструктурным вольфраматом циркония, обладающего отрицательным КТЛР, приведет к формированию общего нулевого КТЛР получаемого керамического композита.

Предлагаемый способ получения керамического композита из оксидов с добавлением вольфрамата циркония заключается в смешивании исходных компонентов в заявляемом соотношении с последующим прессованием, затем спеканием с закалкой и охлаждением до комнатной температуры.

Использование наноструктурного вольфрамата циркония (ZrW₂O₈), полученного гидротермальным методом, наиболее эффективно по сравнению с крупнокристаллическим, полученным другими методами. Керамический композит из оксидов, полученный с добавление наноструктурного вольфрамата циркония, имеет достаточно однородную структуру и маленький размер зерна. Кроме этого, для получения нулевого значения коэффициента теплового расширения необходимо меньшее количество вольфрамата циркония, полученного гидротермальным методом (5-15 мас. %) по сравнению полученного золь-гель методом (примерно 26 мас. %), или полученного твердофазной реакцией (примерно 35 мас. %).

Получение керамического композита из оксидов включает приготовление смеси порошков из исходных компонентов, в частности, оксида циркония или оксида алюминия или их гомогенной смеси до получения однородной массы с последующим формованием образца и его спекание при температуре 1350-1550°C, дополнительной закалкой при температуре 1175-1200°C, охлаждение со скоростью 200-250°C/сек.

Указанные технологические параметры температурного режима способа: спекания, дополнительной закалки и охлаждения были подобраны экспериментальным путем.

Пример конкретного выполнения

В качестве исходных компонентов используют порошок наноструктурного вольфрамата циркония, полученный гидротермальным способом и порошки:

- оксида циркония, полученный методом химического осаждения производства КСМ Corporation, Тайвань;

- оксида алюминия марки ГОО, полученный отжигом гидроксида алюминия.

Берут 10 г порошка наноструктурного вольфрамата циркония и 90 г порошка диоксида циркония, стабилизированного, например, 3-5 мас. % Y₂O₃, с содержанием моноклинной фазы ZrO₂ не более 10% и готовят из них порошковую смесь смешиванием в смесителе типа «пьяная бочка».

Затем формуют из полученной порошковой смеси в стальной пресс-форме прессовку при давлении 50 МПа. Спекание отформованной прессовки проводят в печи с воздушной атмосферой при температуре 1500°C, закалку при температуре 1175°C, с последующим его охлаждением со скоростью 200°C/сек.

Проводят измерение физико-механических свойств полученного керамического композита.

В таблице 1 приведены предлагаемые компонентные составы порошковой смеси и технологические температурные режимы получения керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения согласно заявляемому способу.

Аналогично примеру 1, согласно пп. 2-9 таблицы 1, из предлагаемых компонентных составов порошковой смеси готовят порошковые смеси смешиванием в смесителе типа «пьяная бочка». Затем формуют из полученных порошковых смесей в стальной пресс-форме прессовки при давлении 50 МПа. Далее проводят спекание отформованных прессовок по технологическим температурным режимам согласно пп. 2-9 таблицы 1 и получают заявляемый керамический композит.

Соответствующие измерения физико-механических характеристик керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения представлены в таблице 2.

1. Способ получения керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения, включающий приготовление порошковой смеси из оксида циркония и/или оксида алюминия, формование заготовки и спекание, отличающийся тем, что порошковая смесь дополнительно содержит наноструктурный вольфрамат циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%:

вольфрамат циркония	5-15
оксид циркония
и/или оксид алюминия	остальное,

спекание проводят при температуре 1350-1550°С, затем дополнительно осуществляют закалку при температуре 1175-1200°С, с последующим охлаждением со скоростью 200-250°С/сек.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для приготовления порошковой смеси используют диоксид циркония, стабилизированный, например, 3-5 мас.% Y₂O₃, с содержанием моноклинной фазы ZrO₂ не более 10%.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют наноструктурный вольфрамат циркония, полученный гидротермальным методом.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формование заготовки проводят холодным или горячим прессованием.