СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА КОРДИЕРИТОВОГО СОСТАВА
METHOD OF MANUFACTURING GLASS-CERAMIC MATERIAL OF CORDIERITE COMPOSITION

Изобретение относится к производству высокотермостойких керамических материалов, используемых в изделиях радиотехнического назначения.
Известен способ получения стеклокерамических изделий, по классической стекольной технологии (Макмиллан П.У. Стеклокерамика, М., 1967, с.108), включающий варку стекла при температурах до 1600-1650°C в стекловаренной печи, формование заготовок из стекломассы и термообработку, приводящую к кристаллизации по всему объему.
К недостаткам известного способа следует отнести наличие различных неоднородностей (непроваров, пузырей), вызывающих неоднородность свойств, что существенно затрудняет использование данного способа для изготовления керамических элементов антенных обтекателей.
Наиболее близким техническим решением является способ получения изделий из спеченного стеклокристаллического материала литийалюмосиликатного состава (Патент на изобретение Российской Федерации №2222505, C03C 10/12, 27.01.2004, Бюл. №3), включающий измельчение предварительно закристаллизованного стекла мокрым способом до получения водного шликера, формование изделий в пористые формы и их термообработку при температуре 1210-1250°C в течение 1-3 ч при скорости подъема и снижения температуры не выше 500°C в час.
К недостаткам этого способа относится то, что в качестве исходного сырья используется литийалюмосиликатное стекло, закристаллизованное до получения основной кристаллической фазы β-сподумен. Материал с этой фазой характеризуется достаточно высокими значениями диэлектрической проницаемости ε=7,0÷7,5 и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ=0,015. При этом изменение tgδ материала в интервале температур 20÷700°C составляет 0,015÷0,058, что существенно ограничивает возможности его применения в конструкциях целого ряда изделий радиотехнического назначения, особенно работающих при высоких температурах.
Задачей настоящего изобретения является получение стеклокерамического материала с улучшенными диэлектрическими характеристиками.
3
Поставленная задача достигается тем, что предложен способ изготовления стеклокерамического материала, включающий измельчение закристаллизованного стекла мокрым способом до получения водного шликера, формование заготовок в пористые формы и их термообработку, со скоростью подъема и снижения температуры не выше 500°C в час, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют стекло магнийалюмосиликатного состава, закристаллизованное до получения основной кристаллической фазы кордиерит, измельчение закристаллизованного стекла проводят до получения водного шликера с плотностью 1,98-2,02 г/см, с pH 2,0-4,0 и тониной с остатком на сите 0,063 мм 0-10%, а термообработку отформованных заготовок осуществляют при температурах 1360-1380°C в течение 1-6 часов.
Авторами установлено, что использование в качестве исходного сырья закристаллизованного стекла магнийалюмосиликатного состава, позволяет получать материал с основной кристаллической фазой кордиерит. Материал на основе кордиерита обладает высокой термостойкостью, низким коэффициентом термического расширения, высокой механической прочностью и химической стойкостью. Кроме того кордиеритовая керамика имеет невысокий тангенс угла диэлектрических потерь, стабильный в широком диапазоне температур.
3
Экспериментально установлено, что измельчение предварительно закристаллизованного стекла магнийалюмосиликатного состава должно происходить до получения шликера с плотностью 1,98-2,02 г/см, с pH 2,0-4,0 и тониной с остатком на сите 0,063 мм 0-10%. В этом случае пористость отформованной заготовки составляет не более 30%. Выход за указанные рамки параметров шликера приводит к росту пористости более 35%, что делает практически невозможным термообработку отформованных заготовок до нулевой пористости.
Также установлено, что термообработка отформованных заготовок должна происходить при температурах 1360-1380°C в течение 1-6 часов. Снижение температуры термообработки, равно как и времени выдержки при этой температуре, не обеспечивает получение беспористой керамики. Превышение же температуры выше 1380°C и времени выдержки более 6 часов приводит к увеличению содержания в керамике таких кристаллических фаз, как, например, кристобалит, которые существенно ухудшают свойства материала.
Реализация предложенного способа представлена на следующих примерах.
Пример 1.
2
3
2
2
В качестве исходного сырья использовали стекло магнийалюмосиликатного состава, содержащее: MgO-10,8%; AlO - 29,7%; TiO - 12,0%; SiO - 47,5%, которое было закристаллизовано путем двухстадийной термической обработкой - при температуре первой ступени 850°C и выдержке в течение 5 часов, далее при температуре 1250°C и выдержке 5 часов. Полученный материал в качестве основных кристаллических фаз содержал индиалит (кордиеритовая система), рутил, в незначительном количестве кристобалит, следы энстатита.
3
3
Из закристаллизованного магнийалюмосиликатного стекла, способом мокрого измельчения, получили шликер, имеющий следующие параметры: плотность ρ=2,01 г/см; содержание частиц 63÷500 мкм=6,2%; рН=3,5. Затем из данного шликера методом шликерного литья из водных суспензий в пористые гипсовые формы, отформовали образцы. Плотность отформованной заготовки составила 1,87 г/см, а пористость 29,4%.
Заготовки термообработали при температуре 1375°C, в течение 3 часов, при скоростях подъема и снижения температуры 300°C в час. Уровень полученных свойства в сравнении с материалом прототипа представлены в таблице 1.
Пример 2
Аналогично примеру 1 были отформованы образцы из закристаллизованного стекла магнийалюмосиликатного состава, которые были термообработаны при температурах 1250°C, 1300°C, 1350°C, 1375°C, 1390°C в течение 1, 3, 5, 7 часов. Данные по пористости полученного материала приведены в таблице 2.
Из данных представленных в таблицах следует, что применение способа по предложенному техническому решению позволяет получать стеклокерамику со стабильными диэлектрическими характеристиками. При этом расширен температурный интервал ее использования, что подтверждается значениями тангенс угла диэлектрических потерь при 1200°C.
Источники информации
1. Макмиллан П.У. Стеклокерамика, М., 1967, с.108.
2. Патент на изобретение Российской Федерации №2222505, C03C 10/12, 27.01.2004, Бюл. №3
Таблица 1
№ п/п
Наименование свойства
Прототип
Предложенная стеклокерамика
1.
Основная кристаллическая фаза
β-сподумен
Кордиерит
2.
Плотность, г/см<sup>3</sup>
2,50
2,48
3.
Пористость, %
0,1
0,1
4.
Прочность при изгибе σ<sub>изг</sub> при 20°C, МПа
110
110
5.
Диэлектрическая проницаемость
7,1
5,6
6.
Тангенс угла диэлектрических потерь при 20°C
0,0150
0,0004
700°C
0,0580
0,0087
1200°C
-
0,0125
Таблица 2
№ п/п
Температура термообработки, °C
Время выдержки, час
Пористость заготовки, %
1.
1250
5
26,3
2.
1300
5
20,5
3.
1350
5
16,1
4.
1375
1
0,2
5.
3
0,1
6.
5
0,8
7.
7
2,5
8.
1390
5
7,3