Способ получения высокотемпературной керамики на основе оксида иттрия
METHOD FOR PRODUCING HIGH-TEMPERATURE CERAMICS BASED ON YTTRIUM OXIDE

Область техники
Изобретение относится к области производства высокотемпературных керамических изделий, которые способны выдерживать высокие температуры, многократное нагревание и охлаждение без потери своих прочностных и теплоизоляционных характеристик. Изделия, имеющие предлагаемый состав, можно использовать в огнеупорной промышленности, теплотехнике, в качестве футеровки различных тепловых агрегатов.
Конкретно в нашем случае предполагается использование керамики на основе оксида иттрия, как керамических экранов в процессе производства монокристаллов алюмоиттриевого граната.
Уровень техники
Известна шихта для изготовления огнеупорного материала на основе диоксида гафния (патент РФ на изобретение №2569662, кл. МПК C04B 35/48, опубл. 27.11.2015), содержащая следующие компоненты, мол.%: Y2O3 - 5-10, Yb2O3 - 10-18, Nd2O3 -3-5, HfO2 - остальное.
Недостаток: использование дорогостоящего диоксида гафния, а также оксида иттербия и оксида неодима, как основы при изготовлении огнеупоров.
Известна также шихта для получения материала на основе стабилизированного нанопорошка диоксида циркония (патент РФ на изобретение №2463276, кл. МПК C04B 35/48, B82B 3/00, опубл. 10.10.2012), которая содержит, мас.%: оксид циркония ZrO2 75-82 и концентрат редкоземельных элементов 18-25. В состав концентрата входят редкоземельные элементы (преимущественно, церий, лантан, празеодим) в виде карбонатов.
Недостаток: наличие в составе керамики диоксида циркония, выгорание которого или попадание частиц керамики в технологический процесс производства монокристаллов алюмоиттриевого граната ухудшает лазерные свойства последнего.
Наиболее близким по технической сущности является керамический огнеупорный материал (патент РФ на изобретение №2760814, кл. МКТУ C04B 35/505, C04B 35/488, C04B 35/626, опубл. 30.11.2021), который содержит 14,8-45 масс. % оксида циркония, 6,8-8,54 масс. % по меньшей мере одного оксида редкоземельного металла, выбранного из группы: гадолиний, неодим, самарий, лантан, празеодим и диспрозий, оксид иттрия – остальное. Материал содержит оксид иттрия в виде частиц двух разных фракций, меньшая из которых составляет до 0,5 мкм, а большая – 20-250 мкм, оксид по меньшей мере одного редкоземельного металла (выбранного из группы: гадолиний, неодим, самарий, лантан, празеодим и диспрозий) в виде частиц фракции до 10,0 мкм и оксид циркония в виде частиц двух разных фракций, меньшая из которых составляет до 10,0 мкм, а большая – 600-710 мкм.
Недостаток: аналогично предыдущему примеру, в состав керамики входит диоксид циркония. Несмотря на то, что в данном составе его количественно меньше, чем в первом примере, возможное попадание частиц данной керамики в технологический процесс производства монокристаллов алюмоиттриевого граната так же негативно скажется на свойствах конечной продукции.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который достигается с помощью предлагаемого изобретения, заключается в повышении устойчивости изделий к высоким температурам, что обеспечивает повышение качества керамический изделий, имеющих предлагаемый состав.
о
-3
-5
о
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения высокотемпературной керамики на основе оксида иттрия включает смешивание частиц оксида иттрия со связующим, формование изделий, сушку и отжиг, причем согласно изобретению, частицы оксида иттрия представляют собой смесь порошка оксида иттрия с размером частиц 0,002 мм в количестве 9-18 вес.%, гранул оксида иттрия с размером частиц 0,05-0,15 мм в количестве 63-72 вес.% и гранул оксида иттрия с размером частиц 1,0-1,5 мм в количестве 12-21 вес.%, причём гранулы оксида иттрия получают в результате дробления материала, полученного путём плавки порошка оксида иттрия методом гарнисажа в тигле с температурой охлаждающей воды 22-32°С, и просеивания полученного дроблёного материала через сита с соответствующими размерами ячеек, а связующим материалом является водный раствор поливинилового спирта с концентрацией поливинилового спирта 1-8 вес.%, сушку изделий проводят при температуре 120-300С, отжиг на воздухе – при температуре 1250-1300°С и отжиг резистивным нагревом в высоком вакууме 10-10 Па при температуре 1900-2000С.
Дробление гранул оксида иттрия может быть осуществлено в щековой дробилке или в другой дробилке любого типа.
Непосредственно для нашего направления работы преимущества использования керамики на основе оксида иттрия заключаются в следующем: а) высокая прочность на изгиб; б) сравнительно низкая теплопроводность; в) отсутствие в составе компонентов, снижающих качество выпускаемой продукции. Это достигается в основном за счёт того, что в качестве исходного сырья выступает однокомпонентная система, то есть используется материал одного вида (оксид иттрия).
Осуществление изобретения
0
0
0
-3
-5
0
Возможность использования огнеупорного материала в заявленных условиях достигается благодаря тому, что их состав представляет собой смесь частиц разных типоразмеров одного материала, а именно: порошок оксида иттрия с размером частиц ~0,002 мм (9 до 18 вес%), гранулы оксида иттрия с размером частиц 0,05-0,15 мм (63 до 72 вес%), гранулы оксида иттрия с размером частиц 1,0-1,5 мм (12 до 21 вес%). Второй и третий вид сырья получается в результате дробления в дробилке любого типа, позволяющей получить необходимый размер фракции материала, полученного путём плавки порошка оксида иттрия методом гарнисажа в холодном тигле (температура охлаждающей воды от 22 до 32С) и просеивании полученного дроблёного материала через сита с соответствующими размерами ячеек. Связующим материалом служит водный раствор поливинилового спирта с концентрацией поливинилового спирта 1-8 вес%. Далее следуют этапы сушки (120-300С), отжига на воздухе (1250-1300С) и отжиг резистивным нагревом в высоком вакууме (10-10 Па, 1900-2000С). Последовательность этих операций позволяет получить высокопрочный материал.
Пример реализации
Получение обозначенного состава высокотемпературной керамики на основе оксида иттрия проходит в несколько этапов.
1. Порошок оксида иттрия с размером частиц ~0,002 мм подвергали сплавлению методом гарнисажа в установке с холодным тиглем. Процесс плавления длился до тех пор, пока весь порошкообразный оксид иттрия в тигле не перешёл в расплав, после чего нагрев отключали, и спечённое сырьё остывало до комнатной температуры.
2. Полученное спечённое сырьё дробили при помощи щековой дробилки, после чего просеивали с целью отделения необходимых фракций – 0,05-0,15 мм и 1,0-1,5 мм. С сырьём больших фракций цикл дробления и просеивания проводили повторно с целью получения максимального количества сырья необходимого размера.
3. Далее происходило смешивание разных фракций исходного сырья в различном процентном соотношении с добавлением в эту смесь раствора поливинилового спирта. Процентное соотношение фракций сырья и концентрация раствора поливинилового спирта указаны в таблице 1.
Таблица 1.
№ смеси
Состав смеси, %
Концентрация раствора ПВС, %
Оксид иттрия, фракция~0,002мм
Оксид иттрия, фракция0,05-0,15 мм
Оксид иттрия, фракция1,0-1,5 мм
1
10
69
21
7
2
13
67
20
6
3
15
68
17
4
4
18
70
12
2
0
0
0
0
Для проведения испытаний физической (на излом) и термической стойкости изделий из полученного состава при помощи ранее подготовленных пресс-форм были сформованы заготовки в виде дисков диаметром 200 мм и высотой 20 мм. Далее были проведены этапы сушки при температуре от 200 до 300С, отжига на воздухе при температуре от 1250 до 1300С и отжига в вакууме при температурах от 1900 до 2000С. Полученные в результате изделия обладали высокой прочностью на излом, а также необходимым запасом стойкости под воздействием высоких температур, как в вакууме, так и в атмосфере инертных газов. Конкретно были проведены процессы нагрева в течение суток до температуры 2050С, выдержки при этой температуре в течение семи дней и остывания до нормальных условий в течение двух суток полученных дисков. После 35 таких циклов в изделиях появлялись трещины, делая заготовки не пригодными для дальнейшего использования.
Таким образом, заявленный способ получения высокотемпературной керамики позволяет повысить устойчивость получаемых керамических изделий к высоким температурам.
Сопоставительный анализ заявленного состава высокотемпературной керамики показывает, что совокупность его существенных признаков неизвестна из уровня техники и, значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного состава и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведённые сведения подтверждают возможность применения заявленного состава при производстве высокотемпературных керамических изделий, которые способны выдерживать высокие температуры, многократное нагревание и охлаждение без потери своих прочностных и теплоизоляционных характеристик, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».