Способ получения керамики
METHOD OF OBTAINING CERAMICS

Способ относится к области химии и может быть использован для получения высокопрочной керамики, для консервации твердых радиоактивных отходов в технологии их подготовки для длительного безопасного хранения, получения нагревательных элементов приборов, в качестве перспективного фотокатализатора для очистки сточных вод, для переработки оксидных магниевых отходов, как керамическая основа микроэлементов современной электроники.
2
3
2
3
Известен способ получения керамики на основе BiO-MgO, включающий смешивание компонентов, фильтрацию, нагрев и охлаждение [Не Haoyan, Chen Dongxu, Zhao Zhixiong. Research on the preparation of BiO-MgO composite material and its photocatalytic activity // Industrial Water Treatment. V.35, №4, 53-55].
Однако, данный способ трудоемкий и длительный по времени, в виду большего количества операций.
2
3
2
3
Наиболее близким к заявляемому, является способ получения BiO-MgO, включающий смешивание, нагрев и охлаждение, при времени синтеза 43 часа. [E.-J. Li, K. Xia, S.-F. Yin, W.-L. Dai, S.-L. Luo, C.-T. Au. Preparation, characterization and photocatalytic activity of BiO-MgO composites // Materials Chemistry and Physics 125 (2011) 236-241]. Данный способ взят за прототип.
Однако, при использовании данного способа не достигается:
1. быстрое получение керамики, т.к. указанный способ является более трудоемким и требует много времени, затрачиваемого на синтез;
2. простота исполнения синтеза, из-за сложного многостадийного процесса.
Задачей изобретения является:
сокращение времени синтеза керамики на основе плавленого MgO.
2
3
2
3
Достигается это тем, что в способе получения керамики на основе MgO с использованием твердого связующего, включающем предварительное смешивание исходных компонентов, нагрев и выдержку, в качестве связующего используют δ*-BiO, который смешивают с плавленым MgO при следующем соотношении компонентов, масс. %: 90-97 MgO - 3-10 δ*-BiO, после перемешивания полученную смесь нагревают до 700-900°С и выдерживают 5 часов.
2
3
2
3
Наличие более высокой температуры нагрева в заявляемом способе, помогает сократить время, требуемое на синтез, а использование метастабильного соединения δ*-BiO в качестве связующего, обеспечивает его высокую реакционную способность в момент фазового перехода, и позволяет проводить процесс синтеза керамики за меньшее количество стадий и меньшее время. Уникальной особенностью применения подобного связующего является также эффект сверхпластичности, реализующийся при распаде δ*-BiO и обеспечивающий возможность не только дополнительного уплотнения керамического изделия даже при небольших нагрузках, но и придания ему заданной формы в режиме "ковки". При этом не происходит выделение побочных продуктов, газов и не изменяется исходный состав керамического изделия. Отсутствие газовыделения и жидкости, позволяет получать высокоплотную керамику с низкой пористостью, обладающую высокой твердостью.
2
3
2
3
2
3
2
2
Выбор граничных параметров количества метастабильного твердого связующего (3-10 масс. %) обусловлен полученными экспериментально значениями твердости керамики из плавленного MgO в зависимости от количества введенного в него δ*-BiO (фиг. 1). Из графика (фиг. 1) видно, что при 3 масс. % δ*-BiO начинается наиболее интенсивный рост твердости спекаемой керамики. Меньшее содержание связующего приводит к существенному снижению твердости синтезируемого материала. Ближе к 10 масс. % δ*-BiO рост твердости достигает довольно высоких значений - свыше 920 HV (кгс/мм или 9200 Н/мм) и начинает замедляться. Введение в керамику большего содержания метастабильного связующего возможно, но нецелесообразно, ввиду его довольно высокой стоимости, а также из-за высокой вероятности хрупкости синтезируемой керамики.
2
3
2
3
Выбор граничных параметров температуры спекания керамики (700-900°С) обусловлен в первую очередь температурой распада метастабильного связующего. Согласно данным, представленным на фиг. 2, распад δ*-BiO происходит около температуры 600°С. Таким образом, температура нагрева должна быть выше 600°С для осуществления взаимодействия связующего со спекаемым материалом. Вторым важным фактором будет выступать уровень твердости керамики. На фигурах 3 и 4 показаны примеры изменения значений твердости спеченного керамического материала в зависимости от температуры спекания. Из них видно, что наибольшие значения твердости удается получить при 800-900°С (в зависимости от количества введенного связующего). Снижение температуры спекания ведет к снижению твердости керамики. Однако, в зависимости от назначения, существует потребность в керамических материалах с различным комплексом механических (и др.) свойств, поэтому нижняя граница диапазона температур (700°С) была выбрана как температура, при которой обеспечивается и распад δ*-BiO, и достигаются довольно высокие значения твердости синтезируемой керамики с возможностью их дальнейшего повышения с ростом температуры синтеза.
2
3
2
3
2
2
3
2
2
3
2
3
Верхняя граница диапазона температур соответствует температуре ликвидуса сплава δ*-BiO (BiO:SiO - 78:22 мол. %) на фазовой диаграмме стабильного равновесия системы BiO-SiO (фиг. 5). Т.е. метастабильная фаза δ*-BiO при повышении температуры выше 600°С претерпевает распад с переходом в стабильное состояние и при дальнейшем нагревании выше 900°С плавиться согласно фазовой диаграмме стабильного равновесия. В этом случае, при спекании керамики возможно образование жидкой составляющей, которая будет более эффективно взаимодействовать с оксидом магния, однако, благодаря высокой жидкотекучести расплавов на основе BiO, часть жидкой фазы способна перемещаться в нижнюю часть керамического образца, приводя к взаимодействию с подложкой, а также вызывая неоднородность свойств по всему объему спекаемого материала. Таким образом, нагрев свыше 900°С - нецелесообразен.
2
3
Выбор граничных параметров выдержки (5 часов) при температурах спекания (700-900°С), включает в себя медленный нагрев с печью, выдержку при заданных температурах, и также медленное охлаждение с печью. Медленный нагрев и охлаждение обусловлены хрупкостью керамических материалов. Резкие перепады температур могут приводить к активному трещинообразованию и разрушению керамики. Сам же процесс синтеза, который идет во время распада метастабильного связующего (δ*-BiO) идет очень быстро и не требует много времени на реализацию. Время выдержки менее 5 часов, может привести к трещинообразованию или неполному взаимодействию порошков исходных оксидов. Время выдержки более 5 часов, является нецелесообразным, ввиду более высоких энергетических, временных и экономических затрат.
Способ иллюстрируется графически, где:
2
3
Фиг. 1 - Зависимость твердости образца керамики из MgO от содержания связующего (δ*-BiO); время синтеза - 5 ч.; температура синтеза - 900°С;
2
3
2
Фиг. 2 - Влияние фазового и компонентного состава метастабильных образцов на температуру их распада в системе BiO-SiO (скорость нагревания 6 К/мин) [Жереб В.П. Метастабильные состояния в оксидных висмутсодержащих системах // М.: МАКС Пресс, 2003. - 162 с.];
2
3
Фиг. 3 - Зависимость твердости образца керамики из MgO от температуры синтеза с использованием связующего (δ*-BiO); длительность синтеза - 5 ч.; при содержании связующего - 3 масс. %;
2
3
Фиг. 4 - Зависимость твердости образца керамики из MgO от температуры синтеза с использованием связующего (δ*-BiO); длительность синтеза - 5 ч.; при содержании связующего - 5 масс. %;
2
3
2
Фиг. 5 - Границы температурных зон (1) в области жидкого состояния на фазовой диаграмме стабильного равновесия (2) системы BiO-SiO, построенные по результатам нагревания расплавов [Жереб В.П. Метастабильные состояния в оксидных висмутсодержащих системах // М.: МАКС Пресс, 2003. - 162 с.].
2
3
Сущность изобретения поясняется диаграммами, а также результатами измерения твердости спеченной керамики в зависимости от температуры спекания и количества введенного в керамику связующего (δ*-BiO).
2
3
2
3
2
3
Экспериментально определили, что при введении в керамику 3-10 масс. % связующего (δ*-BiO) и спекании его при температурах 700-900°С обеспечивается надежное получение плотного керамического материала с высокими значениями твердости (HV). Это объясняется тем, что при температурах 600°С и выше происходит распад метастабильного связующего δ*-BiO, во время которого его кристаллическая структура приобретает высокую лабильность и активно взаимодействует с поверхностью частиц плавленого оксида магния. Уникальной особенностью применения подобного связующего является также эффект сверхпластичности, реализующийся при распаде δ*-BiO и обеспечивающий возможность не только дополнительного уплотнения керамического изделия даже при небольших нагрузках, но и возможность придания ему заданной формы в режиме "ковки". При этом не происходит выделение побочных продуктов, газов и не изменяется исходный состав керамического изделия. Отсутствие же газовыделения и жидкости, позволяет получать высокоплотную керамику с низкой пористостью, обладающую высокой твердостью.
Представленные данные подтверждаются высокими значениями твердости полученных образцов керамики. Варьируя температуру спекания в указанном интервале, можно управлять твердостью спекаемого материала.
2
3
По результатам анализов, представленным на фиг. 1, 3, 4, можно сделать вывод о том, что решающую роль при спекании твердой керамики на основе MgO с использованием связующего δ*-BiO играет и количество введенного в керамику связующего и температура спекания.
Заявляемый способ «Способ получения керамики» может быть реализован с помощью следующих материальных объектов:
1. печь - нагревательное устройство с рабочей камерой, обеспечивающее нагревание материала до заданной температуры в интервале до 900°С;
2
3
2. пресс - для компактирования смеси исходных материалов (δ*-BiO и плавленый MgO и), большие нагрузки не требуются;
3. формы - для придания нужной в производстве формы спекаемому изделию или заготовке.
Пример конкретного выполнения 1:
2
3
2
3
1. в качестве исходных компонентов берем литой оксида магния и δ*-BiO в соотношении 97 масс. % MgO - 3 масс. % δ*-BiO;
2. тщательно перемешиваем исходные компоненты между собой;
3. компактируем (прессуем) полученную смесь;
4. нагреваем полученную смесь до 900°С;
5. выдерживаем 5 часов;
6. извлекаем полученную готовую керамику из печи.
Пример конкретного выполнения 2:
2
3
2
3
1. в качестве исходных компонентов берем плавленный оксид магния и δ*-BiO в соотношении 90 масс. % MgO - 10 масс. % δ*-BiO;
2. тщательно перемешиваем исходные компоненты между собой;
3. компактируем (прессуем) полученную смесь;
4. нагреваем полученную смесь до 700°С;
5. выдерживаем 5 часов;
6. извлекаем полученную готовую керамику из печи.
Как показали результаты опытной проверки, при использовании заявляемого способа обеспечивается достижение следующих результатов:
1. получена высокоплотная твердая керамика на основе литого MgO;
2. синтез керамики происходит при отсутствии жидкой составляющей (раствор, расплав), что позволяет получать однородную высокоплотную керамику с низкой пористостью, обладающую высокой твердостью;
3. синтез не требует дополнительного оборудования, кроме компактирующего устройства и не требует введения дополнительных компонентов реакции;
2
3
4. за счет использования метастабильного высокоактивного связующего (δ*-BiO) процесс синтеза керамики требует намного меньше времени на реализацию чем аналоги и прототип.