PL197711B1 - Wielowarstwowy wyrób ceramiczny, sposób jego wytwarzania oraz jego zastosowanie - Google Patents

Abstract

1. Wielowarstwowy wyrób ceramiczny w po- staci p laskiej lub zwini etej, znamienny tym, ze zawiera szereg warstw pierwszej fazy (2), za- wierajacej stopion a i/lub zwi azan a w eglem kompozycj e ceramiczn a w postaci cz astek, oraz usytuowan a pomi edzy s asiednimi warstwa- mi pierwszej fazy (2) warstw e drugiej fazy (3) o odmiennych w la sciwo sciach mechanicznych lub chemicznych, w szczególno sci tworzywo sztuczne, papier, bawe ln e, polimer naturalny lub sztuczny, w lókna w eglowe, siatk e metalow a lub z materia lu nieorganicznego, pozosta lo sc po pirolizie, lub s labo stopiony lub zwi azany w eglem materia l ogniotrwa ly w postaci cz astek. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wielowarstwowy wyrób ceramiczny w postaci płaskiej lub zwiniętej. Przedmiotem wynalazku jest również sposób wytwarzania wielowarstwowego wyrobu ceramicznego oraz jego zastosowanie.

Wyroby ceramiczne są oczywiście dobrze znane i znajdują szereg przemysłowych zastosowań wszędzie tam, gdzie są pożądane takie cechy, jak np. twardość, ogniotrwałość lub względna obojętność chemiczna. Poważną wadą wyrobów ceramicznych jest jednakże ich kruchość lub innymi słowy ich mała praca pękania lub niska wytrzymałość. To ograniczenie stanowiło przeszkodę we wprowadzeniu wyrobów ceramicznych do takich dziedzin, w których bardzo pożądane byłyby ich inne właściwości. Na przykład w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US5657729 i US5687787 ujawnia się próby zastosowania ceramicznych części hartowanych w silnikach spalinowych wewnętrznego spalania.

Materiały kruche ulegają zwykle uszkodzeniom katastroficznym - często bez żadnego ostrzeżenia. W odróżnieniu od nich materiały wytrzymałe przed zniszczeniem zwykle wyginają się i deformują. W większości zastosowań preferuje się ten ostatni typ zniszczeń. Powszechnie stosowanymi metodami testowania wytrzymałości jest metoda SENB (Single Edge Notch Bend - Zginanie z karbem jednostronnym) oraz metoda MOR (Modulus of Rupture - Próba zrywania). Te obie próby wymagają trzypunktowej geometrii zginania i różnią się obecnością lub brakiem karbu w testowanej próbce. W obydwu tych próbach stopniowo zwiększa się siłę oddziaływującą na próbkę w funkcji odkształcenia. Obszar występujący poniżej wykresu siły w zależności od odkształcenia jest pracą pękania i odpowiada ilości energii absorbowanej podczas jednego z tych testów.

Materiał bardziej wytrzymały jest zdolny do absorbowania większej energii niż materiał bardziej kruchy. Jednym ze sposobów absorbowania przez materiał większej ilości energii jest wprowadzenie mikroskopowych zmian strukturalnych. Na przykład, materiały bardzo wytrzymałe, takie jak metale i stopy, absorbują energię przez powstające dyslokacje, przesunięcia w płaszczyznach kryształów lub zjawisko bliźniakowania. Materiał może również absorbować energię, tworząc nowe powierzchnie wskutek procesu nazywanego hamowaniem pęknięcia. Na przykład takie materiały zespolone jak włókna szklane są niejednorodne i zawierają szereg faz. Gdy pęknięcie osiąga granicę fazy, to wtedy może się ono rozprzestrzeniać wzdłuż tej granicy i tworzyć w ten sposób pęknięcie z rozwarstwieniem. W rzeczywistości pęknięcie jest hamowane na granicy faz. Hamowanie ogranicza rozprzestrzenianie się pęknięć, rozkładając energię na czole pęknięcia na większą powierzchnię.

Materiały ceramiczne zazwyczaj nie mogą absorbować więcej energii z tego powodu, że ich struktura krystaliczna jest odporna na mikroskopowe zmiany strukturalne. Ponadto hamowanie pęknięć w materiałach jednorodnych nie występuje. Próby uzyskania większej wytrzymałości materiałów ceramicznych skoncentrowały się na wprowadzaniu pewnej niejednorodności do tych materiałów. Zwiększenie wytrzymałości osiągnięto np. przez utworzenie drugiej fazy w materiale ceramicznym, np. w postaci warstwy włókien (patrz np. opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US 5589115). Warstwa włókien przypuszczalnie przerywa propagację pęknięcia przez hamowanie jego czoła. Niestety, to rozwiązanie nie jest pozbawione pewnych wad. Surowa matryca ceramiczna, w której są umieszczone włókna, kurczy się podczas wypalania, co nie dzieje się z samym włóknem. Wynikiem tego jest rozwarstwianie się włókien i materiału ceramicznego i tworzenie pustych przestrzeni w materiale ceramicznym. Przestrzenie te koncentrują naprężenia, inicjują powstawanie pęknięć i zwiększają prawdopodobieństwo zniszczenia kruchego materiału.

Techniki mające na celu rozwiązanie tych problemów obejmują stosowanie szeregu różnych mat z włókna ceramicznego, impregnowanych cząstkami z materiału ceramicznego, substancjami rozcieńczającymi lub spoiwem organicznym. Ta technika umożliwia ściślejszy kontakt cząstek ceramicznych z włóknem. Jednakże w trakcie wypalania cząstki ceramiczne nadal ulegają kurczeniu się. Chociaż stanowi to postęp w stosunku do dotychczasowego stanu techniki, to jednak ta metoda nie rozwiązuje całkowicie problemu rozwarstwiania i prowadzi do powstawania kompozytu ceramicznego o zmiennych właściwościach mechanicznych.

Rozwarstwianie można w dużym stopniu zlikwidować przez stosowanie techniki infiltracji. Ta technika polega na wlewaniu roztopionego materiału ceramicznego we włókna ceramiczne. Chociaż powoduje ona ograniczenie zjawiska rozwarstwiania, to jednak pojawiają się przy tym nowe problemy. Do stapiania ceramiki potrzebna jest bardzo wysoka temperatura, a niektóre materiały ceramiczne ulegają sublimacji w trakcie tego procesu. Wysoka temperatura może również uszkadzać włókna

PL 197 711 B1 ceramiczne. Chociaż materiał ceramiczny może zostać stopiony, to jego lepkość może być tak duża, że szybkość infiltracji we włóknach będzie bardzo mała i stopiony materiał ceramiczny będzie nierównomiernie nawilżać powierzchnie włókien.

Niezwykle wysokiej temperatury występującej podczas procesu infiltracji można uniknąć dzięki technice infiltracji parowej (patrz np. opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US 5488017). Przy stosunkowo niskiej temperaturze para zawierająca prekursor ceramiczny infiltruje włókna ceramiczne. Później substancja chemiczna jest rozkładana, pozostawiając pozostałość ceramiczną. Na włóknach ceramicznych można np. osadzać gazowy metylotrichlorosilan w temperaturze wynoszącej zaledwie kilkaset stopni, a następnie rozkładać go na węglik krzemu w temperaturze poniżej 1200°C. Utworzona zostaje matryca z węglika krzemu wzmocniona włóknami ceramicznymi. Chociaż eliminuje to niektóre wady opisanych wyżej procesów, to jednak infiltracja parowa jest bardzo czasochłonna i ogranicza się do materiałów ceramicznych z lotnymi prekursorami.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US 5591287 unika się stosowania włókien, stapiania materiałów i prekursorów lotnych. W tym dokumencie opisuje się tworzenie jednej lub szeregu stref słabych między warstwami spiekalnego materiału ceramicznego w postaci cząstek. Strefy słabe składają się z bardzo cienkich warstw niespiekalnego lub słabo spiekalnego materiału. Przykłady materiału niespiekalnego obejmują węgiel lub organiczny materiał polimerowy, który może w procesie pirolizy przechodzić w węgiel. Materiał o słabej spiekalności może formować połączenia z sobą samym i spiekalnym materiałem ceramicznym w postaci cząstek, ale uformowane w ten sposób powiązania powinny być znacznie słabsze od powiązań uformowanych wewnątrz i pomiędzy spiekalnymi warstwami ceramicznymi.

Strefy słabe powinny być mniejsze od 50 pm, aby w ten sposób umożliwić spiekanie warstw ceramicznych. Takie cienkie strefy słabe można uzyskiwać przez rozprzestrzenianie zawiesiny niespiekalnego lub słabo spiekalnego materiału na powierzchni wstępnie uformowanego, spiekalnego materiału ceramicznego. Poprzez odkładanie materiału niespiekalnego między kolejnymi warstwami ceramicznymi można tworzyć szereg stref słabych. Pęknięcie może wtedy rozprzestrzeniać się wzdłuż strefy słabej i tworzyć pęknięcie z rozwarstwieniem między poszczególnymi warstwami ceramicznymi. Proces rozwarstwiania zwiększa pracę pękania. Niestety, ta metoda ogranicza się do spiekalnych materiałów ceramicznych wstępnie uformowanych w warstwy, na które można nanosić materiał niespiekalny. To ogranicza zarówno skład, jak i geometrię wyrobów, które można wykonywać tym sposobem.

Mimo tych znanych sposobów poprawiających wytrzymałość wyrobów ceramicznych, w przemyśle nadal istnieje potrzeba szybkiego i taniego wytwarzania wyrobów o dużej wytrzymałości i przemysłowo użytecznych kształtach. Proste wymieszanie włókien ceramicznych ze spiekalnym materiałem ceramicznym często prowadzi do rozwarstwiania między obydwoma materiałami. Sposoby mające na celu zapobieganie zjawisku rozwarstwiania są albo zbyt czasochłonne, ograniczają geometrię lub skład wyrobu, dają niespójne rezultaty albo wymagają zbyt wysokiej temperatury. Potrzebne jest opracowanie przemysłowego sposobu zwiększania wytrzymałości wyrobu ceramicznego.

Zgodny z wynalazkiem wielowarstwowy wyrób ceramiczny w postaci płaskiej lub zwiniętej charakteryzuje się tym, że zawiera szereg warstw pierwszej fazy, zawierającej stopioną i/lub związaną węglem kompozycję ceramiczną w postaci cząstek, oraz usytuowaną pomiędzy sąsiednimi warstwami pierwszej fazy warstwę drugiej fazy o odmiennych właściwościach mechanicznych lub chemicznych, w szczególności tworzywo sztuczne, papier, bawełnę, polimer naturalny lub sztuczny, włókna węglowe, siatkę metalową lub z materiału nieorganicznego, pozostałość po pirolizie, lub słabo stopiony lub związany węglem materiał ogniotrwały w postaci cząstek. Wyrób wytwarzany według wynalazku charakteryzuje się znacznie lepszą pracą pękania w porównaniu z wyrobami ceramicznymi o strukturze nie zawierającej warstw.

Pierwszą fazę stanowi kompozycja ceramiczna w postaci cząstek, stopiona lub związana węglem. Druga faza może być materiałem porowatym, takim jak siatka metalowa lub materiał ogniotrwały o słabym stopniu spojenia lub materiałem związanym węglem, a nawet może zawierać powstały w wyniku pirolizy materiał palny.

W alternatywnej postaci, druga faza może być materiałem stapianym w procesie niezależnym od pierwszej fazy, takim jak spiekanie, jeżeli pierwszą fazę stanowi kompozycja ceramiczna związana węglem. W innych przykładach wykonania pierwsza faza może dzielić podobny z pierwszą fazą mechanizm wiązania, ale będzie mieć znacznie słabsze właściwości mechaniczne.

Korzystnie grubość warstwy pierwszej fazy wynosi od około 0,05 mm do około 20 mm, a grubość warstwy drugiej fazy wynosi od około 0,005 mm do około 2 mm.

PL 197 711 B1

W korzystnej postaci wykonania druga faza obejmuje co najmniej jeden materiał wybrany z grupy obejmującej pozostałości po pirolizie materiału palnego, włókna węglowe, siatkę metalową i słabo stopiony lub związany węglem materiał ogniotrwały w postaci cząstek.

Korzystnie wyrób co najmniej częściowo jest otoczony osłoną z materiału litego, korzystniej płaszczem z materiału ceramicznego.

Ponadto korzystnie co najmniej jedna warstwa pierwszej fazy ma inny skład niż sąsiednia warstwa pierwszej fazy.

Korzystnie wyrób ma co najmniej jedną warstwę pierwszej fazy o dobrej odporności na erozję i co najmniej jedną warstwę pierwszej fazy o dobrej odporności na wstrząsy cieplne.

W korzystnej postaci wykonania wynalazku wyrób, w przypadku gdy jest on w postaci zwiniętej, stanowi korpus o zasadniczo cylindrycznym kształcie i osi wzdłużnej, przy czym warstwy pierwszej fazy oraz drugiej fazy są usytuowane spiralnie wokół osi wzdłużnej.

Korzystnie korpus o zasadniczo cylindrycznym kształcie ma powierzchnię wewnętrzną wyznaczającą otwór.

Ponadto korzystnie korpus ma zewnętrzną powierzchnię i wewnętrzną powierzchnię wyznaczającą otwór, który jest usytuowany równolegle względem osi wzdłużnej, a grubość ścianki korpusu jest wyznaczona przez powierzchnię zewnętrzną i wewnętrzną, przy czym korpus zawiera szereg warstw pierwszej fazy usytuowanych spiralnie wokół osi wzdłużnej korpusu, przy czym liczba tych warstw zależy od tej grubości ścianki, oraz co najmniej jedną warstwę drugiej fazy między sąsiednimi warstwami pierwszej fazy.

Korzystnie wyrób zawiera co najmniej trzy warstwy fazy pierwszej i dwie warstwy drugiej fazy.

W korzystnej postaci wykonania wynalazku wyrób zawiera co najmniej jedną warstwę pierwszej fazy, zawierającą stopioną i/lub związaną węglem kompozycję ceramiczną w postaci cząstek, oraz osadzonej w niej lub otoczonej nią warstwę drugiej fazy o odmiennych właściwościach mechanicznych lub chemicznych.

Zgodny z wynalazkiem sposób wytwarzania wielowarstwowego wyrobu ceramicznego w postaci płaskiej lub zwiniętej charakteryzuje się tym, że rozkłada się arkusz jako warstwę drugiej fazy o odmiennych właściwościach mechanicznych lub chemicznych, w szczególności tworzywo sztuczne, papier, bawełnę, polimer naturalny lub sztuczny, włókna węglowe, siatkę metalową lub z materiału nieorganicznego, pozostałość po pirolizie, lub słabo stopiony lub związany węglem materiał ogniotrwały w postaci cząstek, nanosi się na ten arkusz warstwę stapialnej kompozycji ceramicznej w postaci cząstek jako warstwę pierwszej fazy, nanosi się co najmniej jedną kolejną warstwę drugiej fazy, prasuje się szereg warstw w wyrób, oraz wypala się ten wyrób w temperaturze wystarczającej do stopienia kompozycji ceramicznej, przy czym ewentualnie przed etapem prasowania zwija się ten arkusz i kompozycję ceramiczną.

Korzystnie stosuje się arkusz o grubości od około 0,005 do około 2,0 mm, a grubość warstwy kompozycji ceramicznej w postaci cząstek jako warstwy pierwszej fazy ustala się na od około 0,05 do około 20 mm.

Korzystnie stosuje się giętki arkusz.

Korzystnie stosuje porowaty arkusz.

Korzystnie stosuje palny arkusz.

Ponadto korzystnie ubija się kompozycję ceramiczną na arkuszu po jej naniesieniu na ten arkusz.

Korzystnie prasowanie prowadzi się izostatycznie.

W korzystnej postaci wykonania wynalazku przed sprasowaniem warstw umieszcza się naprzemiennie warstwy arkusza i kompozycji ceramicznej do żądanej grubości.

Korzystnie przed sprasowaniem warstw zwijanie arkusza i kompozycji ceramicznej prowadzi się wokół punktu środkowego do żądanej grubości wyrobu, z warstwą pierwszej fazy i warstwą drugiej fazy usytuowanymi spiralnie w kierunku na zewnątrz od punktu środkowego.

Ponadto korzystnie wprowadza się trzpień w punkt środkowy.

Korzystnie w trakcie realizacji sposobu stosuje się różne kompozycje ceramiczne.

Zgodny z wynalazkiem sposób wytwarzania wielowarstwowego wyrobu ceramicznego w postaci płaskiej lub zwiniętej charakteryzuje się tym, że napełnia się rękaw jako warstwę drugiej fazy o odmiennych właściwościach mechanicznych lub chemicznych, w szczególności tworzywo sztuczne, papier, bawełnę, polimer naturalny lub sztuczny, włókna węglowe, siatkę metalową lub z materiału nieorganicznego, pozostałość po pirolizie, lub słabo stopiony lub związany węglem materiał ogniotrwały w postaci cząstek, topliwą kompozycją ceramiczną w postaci cząstek jako fazą pierwszą, układa się

PL 197 711 B1 warstwami szereg ubitych rękawów, prasuje się szereg tych warstw w wyrób oraz wypala się ten wyrób w temperaturze wystarczającej do stopienia kompozycji ceramicznej, przy czym ewentualnie przed etapem prasowania zwija się ten rękaw i kompozycję ceramiczną.

Korzystnie stosuje się giętki rękaw.

Korzystnie stosuje się porowaty rękaw.

Korzystnie stosuje się palny rękaw.

Ponadto korzystnie prasowanie prowadzi się izostatycznie.

W korzystnej postaci wykonania wynalazku przed sprasowaniem warstw umieszcza się warstwy napełnionego rękawa do żądanej grubości wyrobu.

Korzystnie przed sprasowaniem warstw zwija się napełniony rękaw wokół punktu środkowego, aż do żądanej grubości, z warstwą pierwszej fazy i warstwą drugiej fazy usytuowanymi spiralnie w kierunku na zewnątrz od punktu środkowego.

Ponadto korzystnie wprowadza się trzpień w punkt środkowy.

Korzystnie w trakcie realizacji sposobu stosuje się różne kompozycje ceramiczne.

Materiał pierwszej fazy może stanowić stopiona lub związana węglem kompozycja ceramiczna w postaci cząstek. Materiał drugiej fazy zaś powinien zgodnie z oczekiwaniem tworzyć słabo spojone warstwy lub warstwy ze słabym związaniem węglem. W alternatywnej postaci materiał drugiej fazy może być stapiany w procesie niezależnym od materiału pierwszej fazy, takim jak spiekanie, o ile materiał pierwszej fazy stanowi kompozycja ceramiczna związana węglem. Materiał drugiej fazy może mieć postać arkusza, cienkiej warstwy, membrany, a nawet osłony, na której albo w której umieszcza się materiał pierwszej fazy.

Warstwy układa się na przemian przez obkładanie arkusza palnego warstwą ceramiczną, ubijanie warstwy ceramicznej na arkuszu, a następnie zwijanie pokrytego arkusza wokół własnej osi, tworząc w ten sposób cylinder o strukturze „rolady”. Drugi materiał w alternatywnej postaci może być osłoną w kształcie cylindra. Kompozycję ceramiczną można wtedy umieszczać w niej, zagęszczać i formować w dowolne kształty, włącznie ze strukturą „rolady”.

Zgodnie z wynalazkiem wielowarstwowy wyrób ceramiczny stosuje się jako płyty zasuwy albo wylewu w odlewaniu ciągłym roztopionego metalu.

Przedmiot wynalazku jest ukazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zgodny z wynalazkiem wyrób o strukturze złożonej z naprzemiennie usytuowanych warstw, fig. 2 - sposób wytwarzania wyrobu pokazanego na fig. 1 z wykorzystaniem arkusza materiału organicznego, fig. 3 - sposób wytwarzania wyrobu z fig. 1 z wykorzystaniem osłony z materiału organicznego.

Na fig. 1 pokazano sposób formowania wyrobu rurowego będącego przedmiotem wynalazku. Rura 1 zawiera szereg naprzemiennych warstw wykonanych z pierwszej fazy 2 i drugiej fazy 3. Całkowita liczba warstw zależy od grubości każdej warstwy i pożądanej grubości 4 rury 1. Zarówno pierwsza faza 2, jak i druga faza 3 są usytuowane spiralnie w kierunku na zewnątrz wokół otworu 5 rury 1. Takie usytuowanie zapobiega rozprzestrzenianiu się pęknięcia 6 w kierunku prostopadłym do osi wzdłużnej 7 rury 1.

Na fig. 2 zilustrowano sposób wytwarzania wyrobu ceramicznego o kształcie cylindrycznym. Arkusz 10 materiału organicznego, wykonany z drugiego materiału, jest rozwijany z rolki podającej 11. Pierwszy materiał 12 nanosi się na arkusz 10 i arkusz ten nawija się na trzpień 13 z tworzeniem rury 14 składającej się z szeregu warstw, aż do uzyskania pożądanej grubości 15.

Na fig. 3 przedstawiono alternatywny sposób wykorzystujący osłonę 20, która zawiera drugi materiał. Pierwszy materiał 21 jest dostarczany do leja 22 i wprowadzany do osłony 20. Wypełnioną osłonę 20 ubija się między wałkami 22 i nawija na trzpień 24 w celu uformowania rury 25.

Wyrób jest szczególnie przydatny przy ciągłym odlewaniu metali i można go wytwarzać w taki sposób, aby materiały o różnych składach były poddawane oddziaływaniu strumienia roztopionego metalu, żużla i formy. Sposób obejmuje nanoszenie i ubijanie pierwszego materiału na lub w drugim materiale. Substrat można wtedy kształtować, prasować i wypalać w celu uzyskania gotowego wyrobu ceramicznego. Wyrób składa się z szeregu warstw zawierających co najmniej dwie fazy. Sąsiednie warstwy pierwszej fazy stykają się fizycznie ze sobą, a między warstwami znajduje się powierzchnia rozdziału. Powierzchnia rozdziału zawiera obszar o obniżonej styczności między sąsiednimi warstwami pierwszej fazy, wskutek czego rozprzestrzeniające się pęknięcie może kierować się wzdłuż tego rozdziału i w sposób efektywny ulegać wyhamowaniu. Hamowanie pęknięcia zwiększa energię pochłanianą przez wyrób wyrażoną w postaci pracy pękania i zwiększa wytrzymałość wyrobu.

PL 197 711 B1

Pierwsza faza może zawierać dowolną, stopioną lub związaną węglem kompozycję ceramiczną w postaci cząstek. Dla wygody określenie „stopiona” lub „związana węglem” oznacza tu taką kompozycję ceramiczną, która można „spiekać” lub „związać węglem”. Kompozycja ceramiczna w postaci cząstek zawiera dowolnego typu materiał w postaci proszku, granulek, włókien, bryłek lub materiał w postaci cząstek o dowolnym albo dowolnych kształtach, jak również dowolnych rozmiarach, który można poddawać formowaniu przez prasowanie. Materiał stopiony dotyczy kompozycji ceramicznej, którą można wypalać w celu wytworzenia wyrobu stapianego z masy złożonej z cząstek ceramicznych. Do związania stopionej kompozycji ceramicznej przed jej wypaleniem często wykorzystuje się odpowiedni materiał wiążący. Kompozycję ceramiczną w końcu wypala się w dostatecznie wysokiej temperaturze, która pozwala na połączenie się cząstek ceramicznych i utworzenie w ten sposób spójnej masy. Podczas tego procesu mogą powstawać frakcje puste, ponieważ cząstki ceramiczne nie łączą się całkowicie lub nie tracą swoich indywidualnych cech. W przeciwieństwie do tego niestopiona kompozycja ceramiczna może przed stapianiem ulec sublimacji lub degradacji, bądź też wybrana temperatura wypalania może być po prostu za niska do uaktywnienia procesu łączenia. Stopioną kompozycję ceramiczną w postaci cząstek można wybrać spośród dowolnych, dobrze znanych kompozycji ceramicznych i będzie ona zwykle - co najmniej w zastosowaniach przemysłowych - zawierać kompozycję materiałów ceramicznych. Faktycznie dobrana kompozycja będzie zależeć od szczególnego zastosowania, w którym zostanie użyty wyrób ceramiczny. Na przykład kompozycje ceramiczne wykorzystywane do obróbki stopionego metalu mogą zawierać tlenek glinu, krzemionkę, węglik krzemu, dwutlenek cyrkonu i inne ceramiczne materiały ogniotrwałe. Typowa kompozycja ogniotrwałego materiału ceramicznego używana w żerdziach zatyczkowych przy przetwarzaniu stali może zawierać większe ilości tlenku glinu i grafitu z mniejszą zawartością krzemionki i innych ceramicznych materiałów ogniotrwałych. Grafit, nieceramiczny materiał w postaci cząstek, dodaje się powszechnie w celu poprawienia odporności na wstrząsy cieplne. Alternatywnie, specjalny materiał ogniotrwały mający znakomitą odporność na korozję i erozję, ale słabą odporność na wstrząsy cieplne, może zawierać większe ilości tlenku glinu i mniejsze ilości dwutlenku cyrkonu oraz krzemionki.

Wynalazek stwarza również możliwość stosowania nowych kompozycji ceramicznych wykorzystujących zalety zwiększonej wytrzymałości struktury wielowarstwowej. Można np. wykorzystywać kompozycje ceramiczne, które uprzednio były zbyt kruche lub wrażliwe na wstrząsy cieplne, ale za to miały inne pożądane właściwości. Składniki, które były potrzebne dla uzyskania pewnych właściwości, można zredukować lub wyeliminować. W szczególności grafit, który poprawia odporność na wstrząsy cieplne, ulega szkodliwemu utlenianiu. Struktura warstwowa pozwala na stosowanie mniejszej ilości grafitu, zapewniając wskutek tego wyrób mniej wrażliwy na degradację wskutek utleniania. Wynalazek nie ogranicza się do stosowania tylko jednej kompozycji ceramicznej do wytwarzania danego wyrobu. Uwzględnia się natomiast stosowanie szeregu różnych kompozycji do wytwarzania gotowego wyrobu. To może być szczególnie korzystne wtedy, gdy pożądane są różne właściwości w różnych miejscach wyrobu. Na przykład w pośrednich osłonach wlewu stosowanych przy ciągłym odlewaniu metali pierwsza kompozycja ceramiczna o dobrej odporności na żużel może stanowić zewnętrzną warstwę osłony, natomiast warstwa środkowa może zawierać kompozycję ceramiczną o dobrej odporności na wstrząsy cieplne, kompozycja wewnętrzna zaś może zawierać materiał ceramiczny odporny na erozję.

Oprócz pierwszej fazy zawierającej kompozycję ceramiczną wyrób zawiera również drugą fazę. Druga faza oddziela warstwy pierwszej fazy. Druga faza może obejmować np. włókna węglowe, siatkę metalową, pozostałość po pirolizie, stosunkowo słabo stapianą kompozycję ceramiczną lub kompozycję ceramiczną stopioną za pomocą mechanizmu innego niż w przypadku pierwszej fazy. We wszystkich tych przypadkach zadaniem drugiej fazy jest przeszkadzanie stapianiu się sąsiednich warstw pierwszej fazy. To tworzy powierzchnie rozdziału, które są mniej wytrzymałe niż pierwsza faza. Powierzchnia rozdziału charakteryzuje się tym, że zawiera stosunkowo mało powiązań między sąsiednimi warstwami lub tworzy obszary nieciągłości w mikrostrukturze wyrobu. Druga faza może być wprowadzana w postaci proszku lub zawiesiny, ale korzystnie powinna ona mieć postać substratu umożliwiającego rozmieszczenie lub zawierającego kompozycję ceramiczną w postaci cząstek. Substrat ten najczęściej będzie arkuszem lub osłoną. Określenie „arkusz” oznacza tu, że może to być cienka warstwa materiału, tkanina lub każda inna substancja charakteryzująca się tym, że dwa jej wymiary znacznie przekraczają jej trzeci wymiar. Określenie „osłona” obejmuje dowolny elastyczny arkusz, płaszcz, cylinder, rękaw lub inny podobny wyrób, który można odpowiednio uformować przez połączenie jego przeciwległych boków i w którym można umieścić kompozycję ceramiczną w postaci cząstek.

PL 197 711 B1

Arkusz lub osłona będą najczęściej wykonane z materiału organicznego, takiego jak polimer syntetyczny lub naturalny, ale mogą również obejmować siatkę wykonaną z materiału nieorganicznego. Materiały nieorganiczne stanowią metal lub włókna nieorganiczne, takie jak grafit lub włókna ceramiczne. Polimery syntetyczne obejmują np. poliolefiny lub poliestry, ale mogą zawierać dowolnego typu polimery syntetyczne, które można wytwarzać w postaci arkusza lub osłony. Polimery naturalne obejmują np. papier lub bawełnę, ale można również stosować i inne naturalne polimery.

Arkusz korzystnie powinien być wykonany z papieru, gdyż produkt ten jest tani, ma dobrą wytrzymałość mechaniczną i małą rozciągliwość pod obciążeniem. Arkusz będzie prawdopodobnie poddawany rozciąganiu podczas jego przetwarzania, a wiele powszechnie znanych polimerów syntetycznych rozciąga się wtedy w sposób nie do zaakceptowania. Grubość arkusza zależy od grubości warstwy ceramicznej. Korzystnie stosuje się grubszy arkusz umożliwiający nanoszenie grubszej warstwy ceramicznej. Arkusz będzie zwykle cieńszy od warstwy ceramicznej i często jego grubość będzie mniej więcej stanowiła jedną dziesiątą grubości warstwy ceramicznej. Należy jednak docenić fakt, że zgodnie z wynalazkiem stosuje się pewne zakresy grubości wynoszące od co najmniej 0,005 mm do około 2,0 mm, bez względu na grubość warstwy ceramicznej.

Zwykle arkusz, zwłaszcza arkusz organiczny zawierający tlen jako składnik stosowanej kompozycji, będzie ulegać pirolizie w wystarczającej temperaturze wymaganej do stopienia kompozycji ceramicznej. Piroliza może pozostawiać śladowe pozostałości między sąsiednimi warstwami ceramicznymi, ale może również pozostawiać skazy o wytrzymałości mniejszej od wytrzymałości reszty stopionego wyrobu. Skazę taką można opisać jako obszar o słabym stopniu stopienia w stosunku do stopnia stopienia warstw ceramicznych. Pęknięcie rozwijające się w warstwie ceramicznej może dotrzeć do tego obszaru i ulec odchyleniu wzdłuż kierunku tej skazy, tworząc w ten sposób pęknięcie z rozwarstwieniem. Energia potrzebna do wytworzenia rozwarstwienia zwiększa pracę pękania i w odpowiednim stopniu zwiększa również wytrzymałość wyrobu ceramicznego.

Arkusz z materiału palnego powinien w korzystnej postaci zawierać otwory. Te otwory powinny umożliwić wzajemne stykanie się sąsiednim warstwom cząstek ceramicznych. Podczas wypalania miejsca styku między warstwami ceramicznymi w tych otworach umożliwiają stopienie się materiału między warstwami. Arkusz z materiału palnego powinien ulegać pirolizie w temperaturze wypalania, ale nie wcześniej, nie przeszkadzając kontaktowi między warstwami i umożliwiając tym samym stopienie w obszarach pomiędzy warstwami. Obszar, który był zajmowany przez arkusz, który teraz uległ pirolizie może po wypaleniu zawierać skazy o słabym stopniu stopienia.

Jest rzeczą zrozumiałą, że nawet przy braku otworów w arkuszu wykonanym z materiału palnego pomiędzy warstwami ceramicznymi może dojść do procesu stapiania. Jednakże otwory pozwalają na stosowanie grubszego papieru i w konsekwencji bardziej wytrzymałego i łatwiejszego w obróbce niż papier nie zawierający otworów. Skazy o słabym stopniu stopienia można tworzyć przy użyciu papieru bez otworów, ale takie arkusze muszą być cieńsze od odpowiednich arkuszy porowatych. Cieńszy arkusz może powodować trudność przy wytwarzaniu wyrobu ceramicznego sposobem będącym przedmiotem tego wynalazku. Cieńsze arkusze są bardziej giętkie i umożliwiają nanoszenie mniejszych ilości cząstek ceramicznych przed osiągnięciem naprężenia krytycznego.

Arkusz bez otworów lub arkusz o zbyt dużej grubości może nawet powodować tworzenie się skaz w wyrobie ceramicznym, które w rzeczywistości zmniejszają jego wytrzymałość. Te skazy mogą wynikać z małego stopnia stopienia lub w ogóle jego braku między warstwami ceramicznymi po pirolizie arkusza palnego. Propagacja pęknięcia w wyrobie ceramicznym może natrafić na skazę, która powstała między warstwami ceramicznymi w wyniku pirolizy warstwy palnej. Pęknięcie może odchylić się wzdłuż płaszczyzny tej skazy. Bez pewnego stopnia stopienia między warstwami ceramicznymi pęknięcie będzie szybko rozwijać się wzdłuż płaszczyzny skazy, gdyż niepotrzebna będzie żadna dodatkowa energia wymagana np. do pokonania wiązań utworzonych podczas procesu stapiania. Ten typ skazy nie poprawia zwykle wytrzymałości wyrobu, ponieważ - jak powiedziano uprzednio - większa wytrzymałość wiąże się z wydatkowaniem większej energii. Pękanie bez konieczności wydatkowania energii nie poprawi wytrzymałości materiału.

Z tego względu między maksymalnym a minimalnym stopniem stopienia istnieje pewnego rodzaju konkurencja. Mniejszy stopień stopienia między warstwami ceramicznymi powoduje tworzenie bardziej „doskonałych” skaz i może zwiększyć prawdopodobieństwo, że rozchodzenie się pęknięcia przez wyrób ceramiczny ulegnie odchyleniu wzdłuż płaszczyzny skazy. Ale po odchyleniu kierunku propagacji pęknięcia wzdłuż płaszczyzny skazy jest pożądana jak największa liczba punktów stopienia materiału, ponieważ do pokonania takich wiązań potrzeba będzie więcej energii. Ale im większy będzie

PL 197 711 B1 stopień stopienia między warstwami ceramicznymi, tym bardziej skaza będzie przypominać matrycę ceramiczną i tym mniejsze będzie prawdopodobieństwo odchylenia kierunku pęknięcia wzdłuż skazy. Liczba, kształt i wielkość otworów, jak również grubość arkusza będą wpływać na stopień stopienia w wyrobie i dlatego doboru odpowiedniego arkusza należy dokonywać z uwzględnieniem tych elementów.

Arkusz z materiału palnego powinien korzystnie być wykonany z papieru porowatego o grubości około 0,005 do około 0,5 mm. Papier porowaty może być papierem z otworami podobnymi lub większymi od rozmiarów cząstek ceramicznych. Takie otwory mogą np. wyznaczać odstępy między włóknami celulozy, z których papier jest wykonany. Otwory można również wykonywać środkami mechanicznymi, np. poprzez perforowanie papieru. Papier cechuje się znaczną sztywnością i wytrzymałością, co jest potrzebne do utrzymywania kompozycji ceramicznej zgodnie ze sposobem będącym przedmiotem tego wynalazku. Jednocześnie papier może być dostatecznie cienki, aby umożliwiał w różnych miejscach styk między warstwami ceramicznymi z obydwu jego stron. Papier ma również stosunkowo niską temperaturę zapłonu i pozostawia minimalne pozostałości po pirolizie.

Arkusz materiału palnego może być również cienką warstwą polimerową, wykonaną np. z polipropylenu, polietylenu lub dowolnego elastycznego polimeru organicznego. Cienkie warstewki z tworzywa sztucznego będą mieć ciągłą strukturę bez skaz w postaci otworków. Ta właściwość może uniemożliwiać stopienie materiału między warstwami ceramicznymi, chociaż w tworzywie można wykonać odpowiednie otwory poprawiające stopień stopienia. Cienkie warstewki polimerowe mogą pod obciążeniem rozciągać się w sposób niekorzystny, co może mieć miejsce podczas ich przetwarzania.

Otwory znajdujące się w arkuszu z materiału palnego pozwalają na stosowanie arkuszy znacznie grubszych od arkuszy pozbawionych otworów. Na przykład, arkusz papieru porowatego o grubości 1,0 mm nadal będzie umożliwiać stykanie się ze sobą sąsiednich warstw ceramicznych i ich stopienie podczas wypalania. Obróbka obejmuje wszystkie te procesy, np. zwijanie lub rozwijanie arkusza, jak również procesy dotyczące obróbki arkusza razem z kompozycją ceramiczną. W porównaniu z tym arkusz nieporowaty powinien być znacznie cieńszy, aby umożliwiał pewien stopień stopienia między warstwami ceramicznymi. W miarę zmniejszania jego grubości arkusz staje się coraz bardziej elastyczny i podatny na rozciąganie. Te właściwości jeszcze bardziej utrudniają jego obrabianie.

Właściwości mechaniczne arkusza są ważne, ponieważ zgodnie z wynalazkiem arkusz w opisywanym procesie służy jako podłoże. W przykładzie wykonania wyrób ceramiczny ma kształt cylindryczny, np. w postaci wylewu, rury odlewniczej lub żerdzi zatyczkowej używanych przy obróbce roztopionego metalu. Arkusz wykonany z palnego, organicznego materiału jest rozwijany z rolki podającej i transportowany poziomo w kierunku rolki nawijającej. Pomiędzy obydwoma rolkami arkusz jest pokrywany stapianą kompozycją ceramiczną w postaci cząstek na grubość od około 0,5 do około 10 mm. W trakcie tego procesu jeden raz lub wielokrotnie można zmieniać skład i grubość warstwy ceramicznej. Grubość arkusza będzie równa co najmniej jednej dziesiątej grubości warstwy ceramicznej. Stosować można również cieńsze arkusze, jeżeli ich wytrzymałość mechaniczna jest dostateczna. W razie potrzeby stosować można także grubsze arkusze. Preferuje się arkusze o grubości od 0,05 do 1,0 mm. Po nałożeniu na arkusz kompozycja ceramiczna zostaje następnie poddana procesowi ubijania w celu zwiększenia gęstości warstwy ceramicznej. Warstwę ceramiczną należy ubić dostatecznie, aby można było ją obrabiać, ale nadal powinna ona mieć odpowiednią elastyczność umożliwiającą jej wyginanie bez powodowania pęknięć. Arkusz z ubitą, stapianą kompozycją ceramiczną jest nawijany na rolkę nawijającą. Po uzyskaniu pożądanej grubości na rolce nawijającej rolkę tę usuwa się. Materiał na rolce nawijającej może zawierać wyrób ceramiczny lub też materiał ten można uformować do innego kształtu albo nawinąć wokół innego elementu ceramicznego. W ten sposób w wyrobie ceramicznym nanosi się spiralne warstwy arkusza i kompozycji ceramicznej.

Powtórne nawijanie ubitej kompozycji ceramicznej/arkusza pozwala na nawinięcie ubitej kompozycji ceramicznej/arkusza wspólnie z pierwszym. W ten sposób łączyć można ze sobą dwie znacznie różniące się kompozycje ceramiczne w celu uformowania gotowego wyrobu. Można np. na przemian układać warstwy odpornej na wstrząsy cieplne kompozycji ceramicznej oraz warstwy materiału charakteryzującego się dobrą odpornością na korozję. W podobny sposób można razem z innymi nawijać trzecią, czwartą i kolejne warstwy ceramiczne w celu otrzymania optymalnych właściwości.

Po uformowaniu do ostatecznego kształtu nawiniętą rolkę prasuje się w celu uzyskania pożądanego elementu. Podczas tej czynności można wykorzystać dowolny ze znanych procesów, np. w przypadku przedmiotów trójwymiarowych można stosować prasowanie izostatyczne. Element następnie wypala się w temperaturze niezbędnej do spiekania materiału. Temperatura wypalania zależy oczywiście od składu kompozycji ceramicznej. Może ona również być zależna od szeregu innych

PL 197 711 B1 czynników, takich jak czas wypalania i pożądana porowatość w gotowym wyrobie. Takie parametry są dobrze znane fachowcom w tej dziedzinie techniki. W wyniku wypalania uzyskuje się gotowy wyrób.

Chociaż zgodny z wynalazkiem wyrób można wytwarzać z użyciem arkusza, to korzystnie umieszcza się kompozycję ceramiczną w postaci cząstek w specjalnej osłonie i zagęszcza się wypełnioną w ten sposób osłonę. Przy stosowaniu takiej osłony można również wykorzystywać techniki stosowane podczas obróbki arkusza. W odróżnieniu od procesu ubijania arkusza stosowanie osłony pozwala na łatwe manipulowanie kompozycją ceramiczną, ponieważ cząstki ceramiczne całkowicie znajdują się w osłonie. W porównaniu z tym ubita kompozycja ceramiczna usytuowana na arkuszu może łatwo od niego odpadać w razie odwrócenia arkusza na drugą stronę lub nawet na bok. Wypełnianie osłony kompozycją ceramiczną w postaci wymaga zwykle stosowania technik podobnych do tych, z jakich korzysta się przy wyrabianiu kiełbas, to znaczy kompozycję ceramiczną umieszcza się w leju i wprowadza do wnętrza osłony. Wypełnioną osłonę ubija się, po czym można nią manipulować w sposób pozwalający na odpowiednie ukształtowanie wyrobu. Osłonę można najwygodniej ubijać między dwoma wałkami, chociaż w niektórych warunkach preferuje się stosowanie jednego wałka. Oczywiście rodzaj kompozycji ceramicznej wprowadzanej do osłony można zawsze zmieniać w zależności od rodzaju wytwarzanego wyrobu i pożądanych właściwości. Na przykład w pierwszym etapie wypełniania osłony można użyć kompozycji ceramicznej odpornej na wstrząsy cieplne, natomiast w późniejszym etapie można stosować kompozycję odporną na korozję. Można nawet nawijać wspólnie lub prasować szereg osłon o różnym składzie kompozycji ceramicznej, a następnie wypalać w celu uzyskania gotowego wyrobu.

Jak wspomniano, osłona może być wykonana z dowolnego materiału o kształcie cylindrycznym, takiego jak papier lub materiał syntetyczny, ale w praktyce korzystnie stosuje się gazę wykonaną z bawełny. Taka gaza bawełniana jest tania, łatwo dostępna, ulega procesowi pirolizy i składa się z szeregu otwartych włókien zawierających szereg otworów. Gazę można poddawać obciążeniom w celu całkowitego otwarcia tkaniny. Można ją również zaimpregnować materiałem wiążącym, grafitem lub inną substancją korzystną dla procesu. Należy zauważyć, że w odróżnieniu od wyrobów wytwarzanych z użyciem arkuszy, wyrób wytwarzany przez owijanie ubitej osłony będzie mieć strukturę charakteryzującą się warstwami kompozycji ceramicznej, po której następują dwie warstwy osłony. Te różne warstwy można praktycznie uważać za jedną. Ubitą osłonę można porównać z arkuszem i dlatego przewiduje się możliwość nałożenia drugiej, a nawet trzeciej warstwy kompozycji ceramicznej w postaci cząstek na zewnętrznej powierzchni ubitej osłony. W innych przykładach wykonania warstwy wewnątrz gotowego wyrobu mogą mieć inną strukturę niż naprzemienne usytuowanie warstwy ceramicznej/podłoża, co ma miejsce w wyrobach wytwarzanych z użyciem arkuszy.

Zarówno w procesie wykorzystującym arkusz, jak i osłonę, wytworzony wyrób będzie zwykle mieć kształt cylindryczny i może również zawierać otwór. Otwór można łatwo wykonać w gotowym wyrobie poprzez nawijanie pokrytego arkusza lub wypełnionej osłony na trzpień. Prasowanie i wypalanie wytworzy wtedy wyrób ceramiczny z otworem. Warstwy zawierające materiał pierwszego i drugiego rodzaju będą układane spiralnie na zewnątrz i wokół otworu, chociaż spirala ta nie musi być koncentryczna i może mieć przerwy wypełnione innym składnikiem lub wynikające z wymaganego kształtu gotowego wyrobu.

Sposób nie ogranicza się do wytwarzania wyrobów cylindrycznych. Formować można również różne inne kształty. W wyrobach wytwarzanych z użyciem arkusza jego grubość powinna wynosić przynajmniej od około 0,005 do około 0,5 mm, chociaż zależnie od warunków prasowania można stosować również cieńsze lub grubsze arkusze. Ponadto przed prasowaniem kompozycję ceramiczną niekoniecznie trzeba poddawać ubijaniu. Na przykład sposób wytwarzania prostej płyty może obejmować umieszczenie arkusza, nałożenie stapianej kompozycji ceramicznej w postaci cząstek, umieszczenie drugiego arkusza i drugiej warstwy kompozycji ceramicznej oraz naprzemienne nanoszenie warstw aż do uzyskania pożądanej grubości. Taki sposób jest również przydatny przy wytwarzaniu płyt zasuwy. Cały wyrób można następnie poddać prasowaniu i wypalaniu w celu uzyskania wyrobu wielowarstwowego. Wytwarzanie wyrobów z wykorzystaniem osłony może nawet być wszechstronniejszą metodą niż wytwarzanie wyrobów z użyciem arkuszy. Osłona utrzymuje kompozycję ceramiczną w miejscu i w konsekwencji pozwala na bardziej efektywne ustawienie wyrobu.

Wyroby o strukturze warstwowej można umieszczać, a nawet całkowicie zamykać w obiektach o strukturze nie zawierającej warstw, tj. w niewarstwowych osłonach. To może być szczególnie przydatne przy zatrzymywaniu pęknięć w szczególnych punktach wyrobu przemysłowego. Na przykład, osłona wlewu używana przy ciągłym odlewaniu stali będzie poddawana niezwykle dużym wstrząsom

PL 197 711 B1 cieplnym, oddziaływaniom chemicznym i erozji na poziomie żużla. Wprowadzenie wyrobu warstwowego do osłony na poziomie żużla może skutecznie powstrzymywać pęknięcia i pozwalać na stosowanie kompozycji ceramicznych odporniejszych na erozję.

P r z y k ł a d 1

Z rolki zdjęto pewną ilość papieru porowatego o grubości 0,05 mm. Papier pocięto na arkusze o określonej długości i wyprostowano. Na papier nałożono znaną kompozycję stapianego materiału ceramicznego w postaci cząstek. Kompozycja zawierała 50-55 procent wagowych tlenku glinu, 13-17 procent wagowych krzemionki oraz 30-35 procent wagowych grafitu. Dobrana kompozycja reprezentowała rodzaj kompozycji stosowanej w wylewach do ciągłego odlewania stali. Nałożoną na papier kompozycję ubito do grubości 1,0 mm i pokryty w ten sposób papier w sposób ciągły nawinięto na stalowy trzpień aż do uzyskania pożądanej grubości. Pokryty papier nawinięty na trzpień poddano prasowaniu izostatycznemu w celu ubicia cząstek kompozycji ceramicznej, tworząc w ten sposób pożądany element. Element ten poddano wypalaniu w temperaturze wynoszącej do 1000°C w atmosferze redukującej w celu uformowania wyrobu ceramicznego. Wyrób ceramiczny pocięto na próbki w celu poddania ich testom MOR (Modulus of Rapture - Próba zrywania). Wytworzono porównywalny, standardowy element bez struktury warstwowej i z kompozycji ceramicznej bez arkusza papieru. Zastosowano ten sam co poprzednio skład i te same warunki prasowania i wypalania. Wycięto również dziesięć próbek z wyrobu bez struktury warstwowej w celu poddania ich testom MOR. Wyrób o strukturze warstwowej wykazał przeciętną pracę pękania równą 0,0177 J/cm² (177000 erg/cm²), natomiast wyrób wykonany w znany sposób cechował się przeciętną pracą pękania równą tylko 0,0042 J/cm2 (42⁰⁰⁰ er^g/cm²).

P r z y k ł a d 2

Wyrób cylindryczny będący przedmiotem tego wynalazku wykonano przez dostarczenie kompozycji ceramicznej w postaci cząstek do pierwszego otwartego końca leja. Użyto takiego samego jak w poprzednim przykładzie składu kompozycji. Na drugi otwarty koniec leja nałożono rękaw wykonany z używanej w medycynie gazy bawełnianej. Kompozycję ceramiczną z leja wprowadzono do wnętrza rękawa. Rękaw przeciągnięto między dwoma wałkami, co spowodowało ubicie znajdującej się w nim kompozycji ceramicznej. Rękaw z ubitym materiałem owinięto wokół trzpienia i uformowano w postaci cylindra. Nawinięty rękaw poddano prasowaniu izostatycznemu przy ciśnieniu 140 MPa (20000 psi) i wypalono w atmosferze redukującej w temperaturze poniżej 1000°C.

P r z y k ł a d 3

Materiał w postaci cząstek z tlenku glinu i grafitu poddano ubiciu wewnątrz rękawa wykonanego z gazy bawełnianej i uformowano w postaci pierścienia zawierającego dwanaście warstw tlenku glinu i grafitu. Grubość każdej warstwy była mniejsza niż 5 mm. Wykonano osłonę wlotową z pierścieniem na poziomie żużla i pierścień całkowicie umieszczono wewnątrz osłony. Osłonę umieszczono w roztopionej stali w temperaturze 1593°C (2900°F) na poziomie pierścienia. Po osiągnięciu temperatury osłonę wyjęto i spryskano wodą w celu zasymulowania warunków bardzo dużego wstrząsu cieplnego. Zewnętrzna powierzchnia osłony pękła na poziomie pierścienia. Po przecięciu osłony w kierunku wzdłużnym zauważono, że pęknięcie rozpoczyna się na zewnętrznej stronie osłony i zatrzymuje przy pierścieniu o strukturze wielowarstwowej. W podobnej osłonie nie zawierającej pierścienia pęknięcie rozciągało się przez całą szerokość osłony. Pierścień wykonany z materiału wielowarstwowego był w stanie zahamować postępujące czoło pęknięcia.

Claims (38)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wie Iowa rstwowy wyrób ceramiczny w postaci płaskiej lub zwiniętej, znamienny tym. że zawiera szereg warstw pierwszej fazy (2), zawierającej stopioną i/lub związaną węglem kompozycję ceramiczną w postaci cząstek, oraz usytuowaną pomiędzy sąsiednimi warstwami pierwszej fazy (2) warstwę drugiej fazy (3) o odmiennych właściwościach mechanicznych lub chemicznych, w szczególności tworzywo sztuczne, papier, bawełnę, polimer naturalny lub sztuczny, włókna węglowe, siatkę metalową lub z materiału nieorganicznego, pozostałość po pirolizie, lub słabo stopiony lub związany węglem materiał ogniotrwały w postaci cząstek.
2. 2. Wyrób według zassirz. 1, znamienny tym, że grubość warsswy pierwszej fazy (2) wynosi od około 0,05 mm do około 20 mm, a grubość warstwy drugiej fazy (3) wynosi od około 0,005 mm do około 2 mm.

   PL 197 711 B1
3. 3. \Wób według zastrz. 1 albo 2, znamiennytym, żer druga fasa (3) obejmuje co najmniejjeden mstezisł wyOzsny z gzgpy oOdjmgjącdj pozostałości po pizolizid mstdzisłg psln-go, włókns węglowd, sistkę mdtslową i słsOo stopiony lgO związsny węgldm mstdzisł ogniotzwsły w postsci cząstek.
4. 4. Wyrób według zas^z. 1, znamienny tym, że co najmniej częściowo (ess otoczony ostoną z mstdzisłg litego, kozzystnid płsszczdm z mstdzisłg cdzsmiczndgo.
5. 5. \W^rZbwedługzzstrz. 1 zlbo Z, znamienny tym, Ze zc znjmniejjednn werztwepie-waszj 1azy (2) ms inny skłsd nie sąsiddnis wszstws pidzwszdj ćszy (2).
6. 6. Wyrób według zas^z. 1 albo 2, znamienny tym, że mis co najmniej (edną warsswę pierwszdj ćszy (2) o doOzdj odpozności ns dzozję i co nsjmnidj jddną wszstwę pidzwszdj ćszy (2) o doOzdj odpozności ns wstzząsy cidplnd.
7. 7. Vtyróó według zzssz. Z, znymienyy tym, Ze ma zo znjmniejj^c^r^ć^ warzswę ζ^^-z^^s^^- fasy (2) o doOzdj odpozności ns dzozję i co nsjmnidj jddną wszstwę pidzwszdj fszy (2) o doOzdj odpozności ns wstzząsy cidplnd.
8. 8. Wyrób według zastez. 1 albo 2, albo 4, albo 7, znamienny tym, że w przypadku wyrobu w postsci zwiniętdj stsnowi go kozpgs o zsssdniczo cylindzycznym ksztsłcid i osi wzdłgendj (7), pzzy czym wszstwy pidzwszdj fszy (2) ozsz dzggidj fszy (3) są gsytgowsnd spizslnid wokół osi wzdłgendj (7).
9. 9. \WTób według ζζζ^ζ. 3, znamienny tym, że w przypadku wyrobu w possacó zwiniętej ssanowi go kozpgs o zsssdniczo cylindzycznym ksztsłcid i osi wzdłgendj (7), pzzy czym wszstwy pidzwszdj fszy (2) ozsz dzggidj fszy (3) są gsytgowsnd spizslnid wokół osi wzdłgendj (7).
10. 10. Wyrób według ζζζ^ζ. 5, znamienny tym, że w przzypadku wyrobu w possacc zwiniętej ssanowi go kozpgs o zsssdniczo cylindzycznym ksztsłcid i osi wzdłgendj (7), pzzy czym wszstwy pidzwszdj fszy (2) ozsz dzggidj fszy (3) są gsytgowsnd spizslnid wokół osi wzdłgendj (7).
11. 11. Wyrób według zas^z. 10, znamienny tym, że koopug o zasaSniecz ccllnnrzycynra kkzta-cie ms powidzzchnię wdwnętzzną wyznsczsjącą otwóz (5).
12. 12. Wyrób według zastez. 11, znamienny tym. że korpus ma zewnęti~zną powierzzchnię i wewnętzzną powidzzchnię wyznsczsjącą otwóz (5), któzy jdst gsytgowsny zównoldgld względdm osi wzdłgendj (7), s gzgOość (4) ścisnki kozpgsg jdst wyznsczons pzzdz powidzzchnię zdwnętzzną i wdwnętzzną, pzzy czym kozpgs zswidzs szdzdg wszstw pidzwszdj fszy (2) gsytgowsnych spizslnid wokół osi wzdłgendj (7) kozpgsg, pzzy czym liczOs tych wszstw zsldey od tej gzgOości ścisnki, ozsz co nsjmnidj jddną wszstwę dzggidj fszy (3) między sąsiddnimi wszstwsmi pidzwszdj fszy (2).
13. 13. Wyrób według zasstz. 11, znamienny tym, że zawiidz co najmntej (rey warzsww Zasz pierwszdj (2) i dwid wszstwy dzggidj fszy (3).
14. 14. Wyrób według zas^z. 1, znamienny tym, ze zawiera co π^-γ^γίϊ<^- ( edną warzswę pierwazej fszy (2), zswidzsjącą stopioną i/lgO związsną węgldm kompozycję cdzsmiczną w postsci cząstek, ozsz ossdzondj w nidj lgO otoczondj nią wszstwę dzggidj fszy (3) o odmidnnych włsściwościsch mechsnicznych lgO chdmicznych.
15. 15. Sppssb werwarzznie wielowerztwewedo wwrobu w zossasó (passiej I ub ζ.^ίί^ίζ^tdj, nyaminyyy tyi, ee zozkłsds się szkgsz jsko wszstwę dzggidj fszy o odmiennych włsściwościsch mechanicznych lgO chemicznych, w szczególności twozzywo sztgczne, pspiez, Oswełnę, polimez nstgzslny lgO sztgczny, włókns węglowe, sistkę metalową lgO z mstdzisłg nieozgsnicznego, pozostsłość po pizolizid, lgO słsOo stopiony lgO związsny węglem mstezisł ogniotzwsły w postsci cząstek, nsnosi się ns ten szkgsz wszstwę stspislnej kompozycji cezsmicznej w postsci cząstek jsko wszstwę pierwszej fszy, nsnosi się co nsjmnidj jedną kolejną wszstwę dzggidj fszy, pzssgje się szezeg wszstw w wyzóO ozsz wypsls się ten wyzóO w tempezstgzze wystszczsjącej do stopieni- kompozycji cezsmicznej, pzzy czym ewentgslnie pzzed etspem pzssowsnis zwijs się ten szkgsz i kompozycję cdzsmiczną.
16. 16. SppsSbwedługzzstrz. 15, znymienyy tym, Ze ztassje zii zrzuss z (^(όοί idzoc^) Z,000 do około 2,0 mm, s gzgOość wszstwy kompozycji cezsmicznej w postsci cząstek jsko wszstwy piezwszej fszy gstsls się ns od około 0,05 do około 20 mm.
17. 17. PposóO wedłgg zsstzz. 15 slOo 16, nyaminyyy tyi, ee stosgje się giętki szkgsz.
18. 18. PposóO wedłgg zsstzz. 15 slOo 16, nyaminyyy tyi, ee stosgje się pozowsty szkgsz.
19. 19. PposóO wedłgg zsstzz. 17, nyaminyyy tyi, ee stosgje się pozowsty szkgsz.
20. 20. PposóO wedłgg zsstzz. 15 slOo 16, slOo 19, nyaminyyy tyi, ee stosgje się pslny szkgsz.
21. 21. PposóO wedłgg zsstzz. 17, nyaminyyy tyi, ee stosgje się pslny szkgsz.
22. 22. S|:^(s^(^lu według zassrz. 15, znamienny tym, że ubija się kompozycję ceramiczną na szg po jej nsniesienig ns ten szkgsz.
23. 23. PposóO wedłgg zsstzz. 15, nyaminyyy tyi, ee pzssowsnie pzowsdzi się izostatycznie.

    PL 197 711 B1
24. 24. Sposób według zastrz.1 5albo23,znamiennytym, zeprzed s prasowaniem warstw umieszcza się naorzsmidnnid warstwy arkusza i ksmoszycji ceramicznej ds żądanej grubości.
25. 25. Sposóbwadługzzstrz.1 5albo22,znnmliennntymi. że przzdsóraaóweaiem warnów zwijaa nie arkusza i ksmoszycji cdramiczndj orswadzi się wskbł omnktm śrsdkswdgs ds żądandj grubości wyrsOm, z warstwą oierwszej fazy i warstwą drugiej fazy usytuswanymi soiralnie w kierunku na zewnątrz sd ounktu śrsdkswegs.
26. 26. PossbO według zastrz. 25, znamienny tym, że worswadza się trzoień w ounkt śrsdkswy.
27. 27. PossbO według zastrz. 15, znamienny tym, że stssuje się różne ksmoszycje ceramiczne.
28. 28. Sposóbwetwerzzsia wielowerstweweegweroSo ccsamiccaeeg w postaai połasiej luu zz/iniętej, nnaminnny tym, że naoełnia się rękaw jaks warstwę drugiej fazy s sdmiennych właściwsściach mechanicznych luO chemicznych, w szczegblnsści twsrzyws sztuczne, oaoier, bawełnę, oslimer naturalny luO sztuczny, włbkna węglswe, siatkę metalswą luO z materiału niesrganicznegs, oszsstałsść os oirslizie, luO słaOs stsoisny luO związany węglem materiał sgnistrwały w osstaci cząstek, tsoliwą ksmoszycją ceramiczną w osstaci cząstek jaks fazą oierwszą, układa się warstwami szereg uOitych rękawbw, orasuje się szereg tych warstw w wyrbO sraz wyoala się ten wyrbO w temperaturze wystarczającej ds stsoienia ksmoszycji ceramicznej, orzy czym ewentualnie orzed etaoem orasswania zwija się ten rękaw i ksmoszycję ceramiczną.
29. 29. PossbO według zastra. 28, nnaminnny tym, że stssuje się giętki rękaw.
30. 30. PossbO według zastra. 28 alOs 29, nnaminnny tym, że stssuje się osrswaty rękaw.
31. 31. PossbO według zastra. 28 alOs 29, nnaminnny tym, że stssuje się oalny rękaw.
32. 32. PossbO według zastrz. 30, nnaminnny tym, że stssuje się oalny rękaw.
33. 33. PossbO według zastrz. 28, nnaminnny tym, że orasswanie orswadzi się izsstatycznie.
34. 34. SPosźb weeług zzstrz.23albo33,znnmiennatym. żżporzd s órasówesiem werstw umiesócza się warstwy naoełnisnegs rękawa ds żądanej gruOsści wyrsOu.
35. 35. Sposóbwedług zastrz.23 albO33, znnmiennatym. żż przzdsórasówesiem werstw zz/ija się naoełnisny rękaw wskbł ounktu śrsdkswegs, aż ds żądanej gruOsści, z warstwą oierwszej fazy i warstwą drugiej fazy usytuswanymi soiralnie w kierunku na zewnątrz sd ounktu śrsdkswegs.
36. 36. PossbO według zastrz. 35, nnaminnny tym, że worswadza się trzoień w ounkt śrsdkswy.
37. 37. SPosźb według zastrz. 22, znnmiennatym. żż w traSeie jjeg reelizzcji stospja się róbże ksmoszycje ceramiczne.
38. 38. Zastosówesie wielowerstwewedgweroSo ccramiccaedg określonedgzzstrzzdżniem 2 1 jak ołyty zasuwy alOs wylewu w sdlewaniu ciągłym rsztsoisnegs metalu.