СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ
CERAMICS PRODUCTION PROCESS

Изобретение относится к способам получения керамических материалов на основе оксида алюминия и может быть использовано в медицине при производстве имплантатов, металлургии, радиотехнике, энергетике и теплотехнике.
Известен способ получения керамики (патент РФ №2198860 «Способ изготовления изделий из корундовой керамики», МПК С04В 35/101, опубл. 20.02.2003), при котором изготавливают мелкодисперсную смесь, содержащую тальк и глиноземистый компонент, вводят в состав шихты фракционированный корунд и временное связующее, проводят формование, сушку, обжиг и охлаждение изделий. При изготовлении мелкодисперсной смеси в качестве глиноземсодержащего компонента используют глинозем, при следующем соотношении компонентов смеси, мас. %: тальк 5-20, глинозем 80-95; в качестве корунда - электрокорунд, при следующем соотношении компонентов шихты, мас. %: 50-60 электрокорунд фракцией 3,0-0,5 мм, 40-50 указанная мелкодисперсная смесь; в качестве связующего - лигносульфонат. Обжиг изделий осуществляют при температуре 1600±50°C с изотермической выдержкой в течение времени, необходимого для образования равновесного количества алюмомагнезиальной шпинели.
Недостатком способа является низкая прочность материала при сжатии (45-50 МПа). Этот недостаток связан с тем, что изделия изготавливают одностадийным способом, при котором происходит линейное и объемное расширение материала, обусловленное реакцией шпинелеобразования.
2
3
Также известен способ получения керамики, являющийся прототипом предлагаемого способа (патент РФ №2486160 «Способ получения керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели», МПК С04В 35/443, опубл. 27.06.2013), при котором смешивают порошки оксида алюминия (AlO) и оксида магния (MgO) в стехиометрическом соотношении, сушат, формуют и обжигают при режимах, обеспечивающих шпинелеобразование. Причем после образования шпинели проводят ее измельчение, добавляют порошок наноразмерных фракций оксида магния и порошок оксида галлия. Затем полученную массу одновременно сушат и гранулируют в потоке газа, после чего осуществляют повторное формование и отжиг, который проводят при температуре не более 1500°C.
2
3
Однако в указанном способе есть следующие недостатки: полученный материал обладает низкими физико-механическими характеристиками и содержит большое количество Mg, что недопустимо для медицинского материала. Исходные шпинелеобразующие компоненты (порошок оксида алюминия и оксида магния) обладают низкой реакционной способностью, поскольку поверхность частиц оксидов может содержать адсорбированные жидкости и газы. Обожженный при высокой температуре (1500°C) материал содержит прочные конгломераты, которые сохраняются в процессе последующего измельчения, не обеспечивая гомогенного распределения шпинели в алюмооксидной матрице. В то же время согласно литературным данным AlO керамика обладает наилучшим комплексом механических свойств при однородном распределении шпинели по границам зерен матрицы. Кроме того, в связи с тем, что основой керамообразующей смеси в способе является алюмомагнезиальная шпинель, керамический материал содержит большое количество Mg, что недопустимо для медицинского материала, используемого при производстве имплантатов. В соответствии с требованиями международного стандарта (ISO 6474-1) максимальная массовая доля оксида магния не должна превышать 0,3%.
Задача (технический результат), решаемая предлагаемым изобретением, заключается в получении плотного керамического материала на основе оксида алюминия с алюмомагнезиальной шпинелью, обладающего высокими физико-механическими характеристиками и удовлетворяющего медицинским требованиям для производства имплантатов.
Поставленная задача достигается тем, что в способе получения керамики, заключающемся в синтезе алюмомагнезиальной шпинели, при котором смешивают оксид алюминия с реагентом в стехиометрическом соотношении и обжигают при режимах, обеспечивающих шпинелеобразование, из порошка шпинели и реагентов для получения керамики готовят суспензию, диспергируют, подвергают распылительной сушке с получением пресс-порошка со сферическими гранулами, формуют и обжигают, отличающийся тем, что в качестве реагента для синтеза шпинели используют карбонат магния, а для получения керамики используют смесь алюмомагнезиальной шпинели и оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. %:
алюмомагнезиальная шпинель в пересчете на оксид магния
0,1-0,3
оксид алюминия
остальное
Обжиг керамообразующей смеси производят при температуре 1550-1650°C.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
2
3
3
В водной среде смешивают порошки оксида алюминия (AlO) и карбоната магния (MgCO) в стехиометрическом соотношении (с учетом количества адсорбированной воды или гидроксидов в составе основного компонента), диспергированную смесь сушат, формуют и обжигают при режимах, обеспечивающих шпинелеобразование. Полученную алюмомагнезиальную шпинель добавляют в суспензию оксида алюминия. Затем полученную массу диспергируют в водной среде, гранулируют в потоке газа, предварительно добавив органические связующие добавки, после чего осуществляют формование и спекание, которое проводят при температуре 1550-1650°C.
3
2
3
Причинно-следственная связь между существенными признаками и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. При использовании в качестве исходных компонентов MgCO и AlO реакция шпинелеобразования идет в 2 этапа и записывается так:
3
2
3
2
2
3
1. MgCO+AlO→MgO+CO↑+AlO
2
3
2
4
2. MgO+AlO→MgAlO
2
3
На первом этапе реакции происходит разложение карбоната магния и образование «свежего» оксида магния. Выделяющийся в процессе реакции углекислый газ способствует формированию пористой структуры прекурсора. Образующийся в процессе разложения оксид магния обладает высокой реакционной способностью, что обеспечивает полное протекание реакции шпинелеобразования при температуре до 1200°C. Реакция разложения карбоната инициирует взаимодействие оксида магния и AlO (второй этап реакции) с образованием алюмомагниевой шпинели.
2
4
Пониженная температура шпинелеобразования и пористая структура прекурсора позволяют при последующем механическом измельчении получить высокодисперсный порошок шпинели. При производстве готовой керамики использование высокодисперсного порошка MgAlO обеспечивает равномерное распределение добавки в алюмооксидной матрице, что способствует формированию высокого комплекса механических свойств материала.
Введение в оксид алюминия шпинели в количестве 0,35-1,06 мас. % (обеспечивающем 0,1-0,3 мас. % оксида магния) позволяет подготовить керамику с высокими показателями кажущейся плотности, прочности при сжатии и изгибе. На этапе обжига керамообразующей смеси при температуре 1550-1650°C алюмомагнезиальная шпинель, располагаясь по границам алюмооксидных частиц, способствует активизации процессов спекания и формирования плотной структуры керамики. Кроме того, такая концентрация MgO позволяет использовать материал для производства имплантатов для хирургии позвоночника.
Пример конкретной реализации.
Подготовка керамического материала состоит из двух основных этапов, состоящих из следующих операций:
1 Этап. Подготовка алюмомагниевой шпинели.
2
3
3
1.1. Подготовка суспензии шпинелеобразующих компонентов. В состав суспензии входят дистиллированная вода, диспергирующий компонент и порошки оксида алюминия (AlO) и карбоната магния (MgCO) в следующем соотношении:
дистиллированная вода: 40 мас. %,
2
3
порошок AlO марки CT 3000 SG (Almatis, Германия): 28 мас. %,
3
порошок MgCO (ГОСТ 6419-78): 28 мас. %,
диспергатор DolapixCE 64 (Zschimmer&Schwarz, Германия): 4 мас. %
1.2 Диспергирование суспензии. Операцию производят на валковой мельнице в течение 24 часов. В качестве мелющих тел используют шары из оксида алюминия диаметром 5-10 мм. Соотношение суспензия/шары должно составлять 1/5 при загрузке мельницы не более 50% по объему.
1.3 Сушка суспензии. Готовую суспензию сушат при температуре 100-150°C до полного испарения влаги.
1.4 Формование материала. Для обеспечения наиболее полного протекания химической реакции подготовленную смесь прессуют при давлении 100 МПа.
1.5 Синтез шпинели. Операцию производят при температуре 1200°C и выдержке в течение 6 часов.
2 Этап. Производство керамики.
2
3
2
4
2.1 Подготовка суспензии керамической смеси. В состав суспензии входят дистиллированная вода, диспергирующий компонент и порошки оксида алюминия (AlO) и алюмомагнезиальной шпинели (MgAlO). При этом соотношение порошковых компонентов составляет:
2
4
порошок MgAlO:0,35-1,06 мас. % (обеспечивающем 0,1-0,3 мас. % оксида магния);
2
3
порошок AlO марки CT 3000 SG (Almatis, Германия): 99,65-98,94 мас. % (по отношению к оксиду магния 99,7-99,9 мас. %);
массовое соотношение порошковой смеси к воде составляет 60:40. Количество диспергатора Dolapix СЕ 64 (Zschimmer&Schwarz, Германия): 4 мас. % от общей массы порошковых компонентов.
2.2 Диспергирование суспензии. Операцию производят на валковой мельнице в течение 24 часов. В качестве мелющих тел используют шары из оксида алюминия диаметром 5-10 мм. Соотношение суспензия:шары должно составлять 1:5 при загрузке мельницы не более 50% по объему.
2.3 Введение органических связующих. После завершения этапа диспергирования в суспензию вводят органические компоненты и производят дополнительное перемешивание в мельнице в течение 1 часа. Состав органических реактивов:
Optapix AC95 (Zschimmer&Schwarz, Германия): 1% от массы порошка,
Zusoplast 9002 (Zschimmer&Schwarz, Германия): 1% от массы порошка.
2.3 Гранулирование порошка. Готовую суспензию подвергают распылительной сушке на установке Mobil Minor (GEA Process Engineering A/S) с получением сферических гранул размером 20-100 мкм.
2.4 Оптимизация содержания влаги в гранулированном порошке.
2.5 Формование пресс-порошка. Прессование порошка производят на одноосевом прессе с усилием 100 МПа.
2.5 Спекание керамики. Операцию производят в печи LHT 02/17 (Nabertherm) при температуре 1600°C с выдержкой в течение 3 часов.
3
1/2
Подготовленный в соответствии с предложенными режимами материал обладает следующими показателями физических и механических свойств: кажущаяся плотность не менее 3,94 г/см, прочность при изгибе (при испытании по схеме трехточечного изгиба) не менее 440 МПа, прочность при сжатии не менее 1200 МПа, микротвердость не менее 16000 МПа, вязкость разрушения 3,4 МПа·м.
Таким образом, предложенный способ позволяет получать плотный керамический материал на основе оксида алюминия с алюмомагнезиальной шпинелью, который обладает высокими физико-механическими характеристиками и удовлетворяет медицинским требованиям международного стандарта (ISO 6474-1) для производства имплантатов.