СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРО- И НАНОПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ
METHOD OF PRODUCING MICRO- AND NANOPOROUS CERAMIC BASED ON ZIRCONIUM DIOXIDE

Изобретение относится к способам получения микро- и нанопористой керамики и может быть использовано в машиностроении, химической промышленности, энергетике для получения фильтрующих материалов, носителей катализаторов и компонентов пористых систем со специальными свойствами.
7
Развитие мембранных процессов, являющихся основой многих современных технологий, приводит к необходимости разработки новых материалов, отличающихся жаростойкостью и узким распределением пор по размерам. Особый интерес представляют материалы с наноразмерной пористостью. Однако подавляющее большинство таких материалов отличается низкой жаростойкостью, поскольку наиболее распространенные методы синтеза, в том числе и «темплатный» синтез, связаны с разложением неорганических и органических гелей при температурах 500-700°C (Заявка 10055611, Германия, МПК B01D 71/02, B01D 61/00. Zeolithmembrane, Verfahren zu deren Herstellung und die Verwendung der Zeolithmembrane. 2002). При температуре свыше 1000°C происходит деградация порового пространства материала с изменением распределения и размеров пор. Введением выгорающих добавок редко удается получить материалы с узким заданным распределением пор по размерам.
Известен способ получения плотных и пористых керамических изделий (патент 19717460, Германия, C04B 35/45, C04B 35/622, C04B 35/645, C04B 38/00, C04B 35/01, 1998), заключающийся в изготовлении смеси из порошка, связующего вещества и растворителя для связующего вещества. Компоненты порошка, связующего вещества и растворителя подобраны таким образом, что образовавшаяся текучая, состоящая из твердой и жидкой фазы масса для заливки свободно заполняет форму, а затем высушивается, при этом растворитель улетучивается, а оставшееся связующее вещество упрочняет смесь порошок/связующее вещество. Таким образом, образуется сырая заготовка, подвергаемая в дальнейшем спеканию. В качестве керамического материала могут быть использованы оксид иттрия-бария-меди, оксид меди-бария-самария или другие керамические сверхпроводники. В качестве связующего вещества применяют воск, шеллак, полиметилметакрилат, а в качестве растворителя - спирт, трихлорэтилен, толуол.
К недостаткам известного способа относят неконтролируемый размер получаемых пор и токсичность применяемых растворителей.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ получения керамических заготовок термогелевым литьем (Gel-Extrusion: A New Continuous Forming Technique / Arnaldo J. Millán et al. // Advanced engineering materials. 2002. 4. №1, P.913-915), включающий подготовку стабильных взвесей в воде с добавкой гелеобразующего агента, заливку суспензии в форму, гелеобразование и обезвоживание гелевой субстанции, сушку и спекание материала. По данному способу могут быть получены плотные и пористые структуры. Данный способ принят за прототип.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является неконтролируемый размер получаемых микропор.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - приготовление суспензии ультрадисперсного порошка со связующим компонентом, заливка суспензии в форму, гелеобразование и обезвоживание гелевой субстанции, сушка и спекание материала.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - получение микро- и нанопористой керамики на основе диоксида циркония с заданными размерами пор.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе получения микро- и нанопористой керамики на основе диоксида циркония, включающем приготовление суспензии ультрадисперсного порошка со связующим компонентом, заливку суспензии в форму, гелеобразование и обезвоживание гелевой субстанции, сушку и спекание материала, обезвоживание гелевой субстанции проводят путем вакуумирования через микропористую подложку, выполненную из кордиеритовой керамики с распределением пор микро- и наноразмера.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от решения по прототипу, - обезвоживание гелевой субстанции проводят путем вакуумирования через микропористую подложку; микропористую подложку выполняют из кордиеритовой керамики с распределением пор микро- и наноразмера. Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют получить микро- и нанопористую керамику на основе диоксида циркония с заданными размерами пор. Микропористая подложка задает размер и распределение пор, которые реализуются в материале.
Способ получения микро- и нанопористой керамики на основе диоксида циркония поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 показана дифференциальная порограмма образца из диоксида циркония, изготовленного без применения микропористой подложки.
На фиг.2 - дифференциальная порограмма образца из диоксида циркония, изготовленного с применением микропористой подложки.
На фиг.3 - дифференциальная порограмма микропористой подложки.
На фиг.4 - гистограмма распределения по размерам пор нанометрового диапазона в образце из диоксида циркония.
Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующими примерами конкретного выполнения.
Пример 1.
2
Порошок частично стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония с удельной поверхностью 5-7 м/г нагревали до температуры 60-65°C и смешивали с предварительно подготовленным 0,5-1%-ным раствором агара в воде. Заготовку заливали в форму, дном которой служила кордиеритовая подложка с микро- и нанопорами. Заготовку остужали до 30-40°C и обезвоживали образовавшийся гель вакуумированием через кордиеритовую подложку. Заготовку вынимали, сушили и спекали при температуре 1450°C в течение 2 ч. Пористость полученного материала 50-55%.
Пример 2 (прототип).
2
Порошок частично стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония с удельной поверхностью 5-7 м/г нагревали до температуры 60-65°C и смешивали с предварительно подготовленным 0,5-1%-ным раствором агара в воде. Формовали заготовку, сушили и спекали при температуре 1450°C в течение 2 ч. Пористость полученного материала 50-60%.
Распределение пор в образцах исследовали методом ртутной порометрии.
Образцы примера 2 имеют широкое распределение по размерам пор в области от 500 нм до 10 мкм (фиг.1). Показано, что в материале присутствуют поры размером около 10 нм.
В примере 1 образцы имеют очень узкое распределение пор в области 10 мкм (фиг.2), воспроизводящее распределение пор в кордиеритовой подложке (фиг.3). В материале также присутствуют поры размером около 10 нм (фиг.4). Последние изучены методом тепловой десорбции азота.
Таким образом, при осуществлении предложенного способа удается получить пористую керамику на основе диоксида циркония с распределением микро- и нанопор, воспроизводящих распределение пор кордиеритовой подложки.