СИАЛОНСОДЕРЖАЩИЙ МАТЕРИАЛ И КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
SIALON-CONTAINING MATERIAL AND COMPOSITION FOR ITS PREPARATION

Изобретение относится к составам и композициям для получения сиалонсодержащих материалов, обладающих повышенной прочностью и теплопроводностью, которые могут быть использованы в технике высоких температур, например в конструкциях теплообменных аппаратов.
2
3
2
3
Известен материал из β-сиалона (50%) и карбида кремния SiC (50%), получаемый спеканием композиции из SiC (50%), кремния Si (20-25%), оксида алюминия AlО (10-30%), оксида иттрия YО (2.5-5%), нитрида алюминия AlN (остальное до 100%) при температуре 1600°С (патент CN 1403412, С04В 35/66, дата публикации 19.03.2003).
Недостатки известного материала: высокая пористость (20%) и низкая прочность (127 МПа); спекание композиции для получения материала с низкой пористостью осложняется фазовыми превращениями.
2
Ic
2
3
2
3
2
3
2
3
4
1/2
Известен материал из α'-сиалона (35-65%) и β'-сиалона (35-65%) с добавлением 1.5-40% нитрида титана TiN, карбонитрида титана Ti(C, N), карбида молибдена МоС, карбида титана TiC и/или SiC, обладающий твердостью Ra=95 МПа и трещиностойкостью K=8.7 МПа·м, получаемый спеканием композиции из AlN (0.1-20%), оксида скандия ScО, оксида иттрия YО, оксида лантана LaО, нитрида скандия ScN, нитрида иттрия YN, нитрида лантана LaN, или оксида, или нитрида, или редкоземельного элемента (0.1-20%), оксида магния MgO, оксида кальция СаО, оксида стронция SrO или оксида бария ВаО (0.1-20%), TiN, Ti(C, N), МоС, TiC и/или SiC (1.5-40%), нитрида кремния SiN (остальное до 100%) сначала под действием микроволнового излучения при температуре 1700-1800°С, а затем при повышенном (6-4000 атм) давлении азота при температуре 1400-1800°С (патент ЕР 1322572, С04В 35/597, дата публикации 02.07.2003).
Недостатки известного материала: композиция для получения материала состоит из большого числа (пяти или более) компонентов, что затрудняет достижение ее однородности; спекание композиции для получения материала с низкой пористостью осложняется фазовыми превращениями; композиция для получения материала требует использования сложной двухступенчатой технологии спекания для достижения заявленной твердости и трещиностойкости материала.
2
3
2
3
3
4
Наиболее близким к заявляемому является материал из α/β-сиалона (70-97%) и частиц SiC или Ti(C, N) размером 5-30 мкм (5-20%), обладающий твердостью по Виккерсу HV=1820 МПа, получаемый горячим прессованием композиции из AlN (5-7%), AlО (0.5-0.7%), YО (5-7%), MgO (0.2-0.3%), SiC или Ti(C,N) (5-20%), SiN (остальное до 100%) в течение 1-3 ч при температуре 1800-1950°С (патент ЕР 1656331, С04В 35/599, дата публикации 17.05.2006) (прототип).
Недостатки прототипа: композиция для получения материала состоит из большого числа (шести) компонентов, что затрудняет достижение ее однородности; спекание композиции для получения материала с низкой пористостью без горячего прессования осложняется фазовыми превращениями; композиция для получения материала требует использования горячего прессования, композиция не позволяет получать изделия сложной формы и/или больших размеров, требуется большая продолжительность обжига (1-3 ч) для достижения высокой твердости материала.
Задачей предлагаемого технического решения является получение сиалонсодержащего материала, обладающего повышенной твердостью, повышенными термомеханическими свойствами, высокой однородностью и свойствами, позволяющими получать из него изделия сложной формы и/или больших размеров и обходиться без горячего прессования.
3
3
3
5
4
2
4
3
5
12
Поставленная задача достигается тем, что сиалонсодержащий материал включает фазы сиалонов SiAlОN, SiAlОN, дополнительно фазу кубического карбида кремния 3С-SiC, причем каждая из указанных фаз представлена в нанокристаллическом состоянии, а также фазу гексагонального карбида кремния 6H-SiC в размерном состоянии 5000-50000 нм и фазу алюмината иттрия YAlO, при следующем соотношении фаз, мас.%:
Si<sub>3</sub>Al<sub>3</sub>О<sub>3</sub>N<sub>5</sub>
25-55
SiAl<sub>4</sub>О<sub>2</sub>N<sub>4</sub>
10-35
3C-SiC
10-20
Y<sub>3</sub>Al<sub>5</sub>О<sub>12</sub>
7-15
6H-SiC
20-40
3
3
3
5
4
2
4
2
3
2
3
Поставленная задача достигается также тем, что композиция для получения сиалонсодержащего материала содержит сиалонсодержащий порошок, состоящий из 35-70% (мас.) SiAlОN, 15-35% (мас.) SiAlОN, 10-20% (мас.) 3C-SiC, 5-10% (мас.) AlО с размером частиц не более 150 нм, дополнительно гексагональный карбид кремния 6H-SiC в размерном состоянии 5000-50000 нм и оксид иттрия YO, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сиалонсодержащий порошок
50-75
6H-SiC
20-40
Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5-10
Технический эффект, достигаемый при использовании заявляемой сиалонсодержащей композиции, - получение материала с пределом прочности при сжатии 620-1030 МПа, теплопроводностью 100°С 40-80 Вт/(м·К), пористостью 5-15% без применения горячего прессования.
Преимущества предлагаемого сиалонсодержащего материала:
- предел прочности при сжатии 620-1030 МПа, теплопроводность при 100°С 40-80 Вт/(м·К), пористость 5-15%;
- материал обладает электропроводностью;
- наноразмерное состояние фаз, слагающих нанофрагментированный материал;
- отсутствуют контактные сопротивления, препятствующие прохождению тепла и электричества, на границах зерен карбида кремния и сиалоновых фаз;
- материал имеет повышенные теплопроводность и электропроводность;
- спекающая добавка оттеснена с границ зерен в поры;
- материал устойчив к воздействию кислорода воздуха до температуры 1400°С за счет образования на поверхности оксидной пленки.
Преимущества предлагаемой сиалонсодержащей композиции:
3
3
3
5
4
2
4
2
3
- использование в составе сиалонсодержащей композиции интегрированного сиалонсодержащего порошка, полученного химическим синтезом, с размером частиц менее 150 нм, содержащего фазы SiAlОN, SiAlON, 3С-SiC, AlO;
- компоненты сиалонсодержащей композиции имеют близкие коэффициенты термического расширения;
- исключена операция помола;
- устранено загрязнение материала, обеспечена высокая однородность композиции за счет уменьшения (до трех) числа компонентов в сиалонсодержащей композиции;
- сырец изделия имеет низкую пористость (менее 28%);
- снижена усадка при обжиге;
- повышена точность размеров изделия после обжига;
- исключено использование горячего прессования для получения материала;
- исключается использование для спекания повышенного газового давления и длительной термообработки (более 1 часа) для получения материала.
Заявляемое техническое решение обладает изобретательским уровнем, новизной и промышленно применимо.
Свойства заявляемого сиалонсодержащего материала обеспечиваются при соблюдении компонентного состава сиалонсодержащей композиции в заявленных количествах.
При уменьшении количества монокристаллического 6H-SiC (размер частиц 5000-50000 нм) в сиалонсодержащей композиции менее 20% (мас.) уменьшается теплопроводность сиалонсодержащего материала.
При увеличении количества монокристаллического 6H-SiC (размер частиц 5000-50000 нм) в сиалонсодержащей композиции более 40% (мас.) возрастает пористость сиалонсодержащего материала, снижается его прочность.
2
3
При уменьшении содержания спекающей добавки YO в сиалонсодержащей композиции менее 5% (мас.) возрастает пористость сиалонсодержащего материала, снижается его прочность.
2
3
При увеличении содержания спекающей добавки YО в сиалонсодержащей композиции более 10% (мас.) снижается теплопроводность сиалонсодержащего материала.
При уменьшении содержания сиалонсодержащего порошка в сиалонсодержащей композиции менее 50% (мас.) увеличивается пористость и снижается прочность сиалонсодержащего материала.
При увеличении содержания сиалонсодержащего порошка в сиалонсодержащей композиции более 75% (мас.) снижается теплопроводность сиалонсодержащего материала.
3
3
3
5
При уменьшении содержания SiAlОN в сиалонсодержащем порошке менее 35% (мас.) снижается теплопроводность материала.
3
3
3
5
При увеличении содержания SiAlОN в сиалонсодержащем порошке более 70% (мас.) увеличивается испаряемость материала при спекании, что увеличивает его пористость и снижает прочность.
4
2
4
При уменьшении содержания SiAlОN в сиалонсодержащем порошке менее 15% (мас.) увеличивается пористость материала.
4
2
4
При увеличении содержания SiAlОN в сиалонсодержащем порошке более 35% (мас.) снижается теплопроводность материала.
При уменьшении содержания 3С-SiC в сиалонсодержащем порошке менее 10% (мас.) снижается устойчивость материала к истиранию и электропроводность материала.
При увеличении содержания 3С-SiC в сиалонсодержащем порошке более 20% (мас.) увеличивается пористость и снижается прочность материала.
2
3
При уменьшении содержания AlO в сиалонсодержащем порошке менее 5% (мас.) увеличивается пористость и снижается прочность материала.
2
3
При увеличении содержания AlО в сиалонсодержащем порошке более 10% (мас.) снижается теплопроводность материала.
3
3
3
5
4
2
4
2
3
2
3
При получении сиалонсодержащего материала использованы следующие сырьевые материалы: ультрадисперсный сиалонсодержащий порошок, полученный химическим синтезом (размер частиц не более 150 нм), включающий в себя SiAlОN, SiAlОN, 3С-SiC, AlО, а также монокристаллический 6H-SiC (размер частиц 5000-50000 нм) (содержание SiC не менее 99%), YО (ОСТ 48-208-81).
Для достижения заявленного эффекта компоненты композиции: сиалонсодержащий порошок, спекающая добавка и 6H-SiC перемешиваются шликерным методом для получения однородной композиции. Смесь высушивается и из нее прессуют сырец изделий. Спекание материала проводится при температуре 1750-1850°С, с выдержкой 15-25 мин, в атмосфере азота при давлении не более 1.1 атм.
В примерах 1-15 приводится реализация изобретения.
2
2
Пример 1. Компоненты - сиалонсодержащий порошок (75% (мас.)), монокристаллический β-SiC (20% (мас.)), YО (5% (мас.)) перемешиваются шликерным методом до получения однородной композиции, смесь высушивается до влажности 3-5% (мас.) и из нее прессуется сырец изделия с пористостью не более 30%. Сырец обжигается в атмосфере азота в течение 20 мин при температуре 1800°С.
Свойства полученного материала приведены в таблице (состав 1).
Аналогично получены материалы в примерах 2-14. Значения свойств в зависимости от состава сиалонсодержащей композиции приведены в таблице.
2
3
Пример 15. Компоненты - сиалонсодержащий порошок (69% (мас.)), монокристаллический β-SiC (25% (мас.)), YО (6% (мас.)) перемешиваются шликерным методом до получения однородной композиции, смесь высушивается до влажности 3-5% (мас.) и подвергается горячему прессованию под давлением 30 МПа, при температуре 1750°С, в течение 20 мин, в атмосфере азота.
Свойства полученного материала приведены в таблице (состав 15).
Таким образом, как видно из таблицы, заявляемые материал и композиция для его получения позволяют достичь предел прочности при сжатии 620-1030 МПа, теплопроводность при 100°С 40-80 Вт/(м·К), пористость 5-15% без применения горячего прессования.