RU2053981C1

RU2053981C1 - Method for production of ceramics based on mullite sinalox-m

Info

Publication number: RU2053981C1
Application number: RU93027774A
Authority: RU
Inventors: М.Ф. Лисов
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Суперкерамика"
Priority date: 1993-05-13
Filing date: 1993-05-13
Publication date: 1996-02-10

Abstract

FIELD: ceramics production. SUBSTANCE: method for production of ceramics based on mullite SINALOX-M includes preparation of mixture of powders of silicon and aluminum nitride with the following composition, mas.%: silicon 14.1-18.6; aluminum nitride 81.4-85.9. Components are mixed with observation of silicon-to-aluminum ratio from 1:3 to 1:4, and calcined in oxygen containing atmosphere until variation of mass of calcined material discontinues. After cooling, mullite-base single-phase ceramics is obtained whose yield amounts to 137-141%. Ceramics has fine-grained structure with rounded grains and high thermal stability of dielectric characteristics, reduced dielectric losses and higher bending strength amounting to 160-200 MPa. EFFECT: higher efficiency. 1 tbl

Description

Изобретение относится к способам получения поликристаллических керамических материалов на основе двойных оксидов и может быть использовано в огнеупорной промышленности, металлургии, энергетике, химии, машиностроении, медицине, радио-, электро- и теплотехнике. The invention relates to methods for producing polycrystalline ceramic materials based on double oxides and can be used in the refractory industry, metallurgy, energy, chemistry, mechanical engineering, medicine, radio, electrical and heat engineering.

Известно, что муллит имеет формулу 3Al₂O₃· 2SiO₂. Материал на его основе отличается разнообразием свойств и характеристик, что определяется составом исходной шихты, условиями ее обработки и составом и структурой керамики.It is known that mullite has the formula 3Al ₂ O ₃ · 2SiO ₂ . The material based on it is distinguished by a variety of properties and characteristics, which is determined by the composition of the initial charge, the conditions of its processing, and the composition and structure of ceramics.

Известно получение керамики на основе муллита путем приготовления шихты из водного раствора нитрата алюминия (Al(NO₃)₃ · 9H₂O) и тетраэтилортосиликата (Si(OC₂H₅)₄), взятых в соотношении, обеспечивающем получение после пиролиза раствора при 873 К порошка с содержанием оксида алюминия 60-78% Этот порошок подвергали прокаливанию при 1223 К в течение 1 ч, тонкому измельчению с последующим формованием заготовок, обжиг которых проводили на воздухе при 1923 К в течение 4 ч [1]
Однако при этом получают керамику муллито-кремнеземистого состава и используют двухстадийную технологию, что в ряде случаев нецелесообразно.It is known to obtain ceramics based on mullite by preparing a mixture from an aqueous solution of aluminum nitrate (Al (NO ₃ ) ₃ · 9H ₂ O) and tetraethylorthosilicate (Si (OC ₂ H ₅ ) ₄ ), taken in a ratio that ensures obtaining a solution after pyrolysis at 873 Powder with an alumina content of 60-78%. This powder was calcined at 1223 K for 1 h, fine grinding followed by molding of preforms, which were fired in air at 1923 K for 4 h [1]
However, they obtain ceramics of a mullite-siliceous composition and use two-stage technology, which in some cases is not practical.

Анализ источников информации показывает, что наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ получения керамики на основе муллита, который предусматривает смешение порошков корунда и алюмосиликатного стекла системы SiO₂-Al₂O₃-MgO, взятых в соотношении, мас. (40-60) (60-40), с последующим введением связки, формованием заготовок и их обжигом на воздухе при температурах 1720-1820 К в течение 1 ч [2]
Этот способ принят нами за прототип, причем следует отметить, что керамика, полученная по этому способу, содержит до 30% посторонних фаз, в том числе до 10% стеклофазы, что отражается на диэлектрических характеристиках.An analysis of information sources shows that the closest in technical essence to the claimed object is a method for producing ceramics based on mullite, which involves mixing powders of corundum and aluminosilicate glass of the SiO ₂ -Al ₂ O ₃ -MgO system, taken in the ratio, wt. (40-60) (60-40), followed by the introduction of a binder, forming blanks and firing them in air at temperatures of 1720-1820 K for 1 h [2]
This method was adopted by us as a prototype, and it should be noted that the ceramics obtained by this method contain up to 30% of extraneous phases, including up to 10% of the glass phase, which affects the dielectric characteristics.

Основной задачей предложенного изобретения является получение по одностадийной технологии (путем совмещения синтеза и спекания) однофазной керамики из муллита с термостабильными диэлектрическими характеристиками. The main objective of the proposed invention is to obtain a single-stage technology (by combining synthesis and sintering) single-phase ceramics from mullite with thermostable dielectric characteristics.

Решение поставленной задачи осуществляли путем приготовления шихты смешением порошков кремний- и алюминийсодержащего компонентов, формовки заготовок и их последующего обжига в кислородсодержащей атмосфере. The solution to this problem was carried out by preparing the mixture by mixing powders of silicon and aluminum components, forming blanks and their subsequent firing in an oxygen containing atmosphere.

При этом согласно изобретению в качестве кремнийсодержащего компонента используют порошок кремния, а в качестве алюминийсодержащего нитрид алюминия при следующих количественных соотношениях, мас. Moreover, according to the invention, silicon powder is used as a silicon-containing component, and aluminum nitride is used as an aluminum-containing component in the following quantitative ratios, wt.

Кремний 14,1-18,6
Нитрид алюминия 81,4-85,9 причем при смешении компонентов соблюдают следующее атомное соотношение кремния и алюминия Si Al от 1 3 до 1 4, а обжиг осуществляют до прекращения изменений массы обжигаемых заготовок.Silicon 14.1-18.6
Aluminum nitride is 81.4-85.9, and when mixing the components, the following atomic ratio of silicon and aluminum Si Al is from 1 3 to 1 4, and firing is carried out until the change in the mass of the fired preforms is stopped.

Сущность предложенного способа получения заключается в том, что на первом этапе путем совместного помола готовят исходную шихту из порошков кремния (Si) и нитрида алюминия (AlN) при соблюдении вышеуказанных количественных соотношений; на втором этапе из полученной шихты готовят формовочную массу, формуют заготовки и обжигают их в кислородсодержащей атмосфере при парциальном давлении не ниже 10 Па (10^-4 атм и выше) при температурах 1670-1970 К до прекращения изменений массы обжигаемых заготовок.The essence of the proposed production method is that at the first stage, by co-grinding, the initial mixture is prepared from powders of silicon (Si) and aluminum nitride (AlN), subject to the above quantitative ratios; at the second stage, the molding material is prepared from the mixture obtained, the preforms are molded, and they are fired in an oxygen-containing atmosphere at a partial pressure of at least 10 Pa (10 ^-4 atm and above) at temperatures of 1670-1970 K until the mass changes of the calcined preforms cease.

После охлаждения получали однофазную керамику на основе муллита, отличающуюся тонкозернистой структурой, повышенной механической прочностью и термостабильными диэлектрическими характеристиками. При этом имеет место увеличение съема готовой продукции до 41% при прочих равных условиях, поскольку в рамках предложенного способа из 100 кг шихты удается получить до 141 кг керамики из муллита. After cooling, a single-phase mullite-based ceramic was obtained, characterized by a fine-grained structure, increased mechanical strength, and thermostable dielectric characteristics. At the same time, there is an increase in the removal of finished products to 41%, ceteris paribus, since in the framework of the proposed method, up to 141 kg of mullite ceramics can be obtained from 100 kg of charge.

Важным моментом предложенного технического решения является тот факт, что в процессе окислительного обжига заготовок из кремния и нитрида алюминия в газовую атмосферу выделяется только азот, безвредный для человека и окружающей среды, что экологически весьма благоприятно. Таким образом технический результат достигается в изобретении за счет выбора состава исходной смеси, соотношения компонентов в ней и выбора условий термообработки, что и составляет сущность заявленного способа. An important point of the proposed technical solution is the fact that in the process of oxidative firing of billets of silicon and aluminum nitride, only nitrogen is released into the gas atmosphere, which is harmless to humans and the environment, which is environmentally very favorable. Thus, the technical result is achieved in the invention by choosing the composition of the initial mixture, the ratio of components in it and choosing the heat treatment conditions, which is the essence of the claimed method.

При выходе за указанные пределы количественных соотношений компонентов или при нарушении других условий осуществления способа не удается решить основную задачу предложенного изобретения получить однофазную тонкозернистую керамику из муллита с повышенной прочностью и термостабильными диэлектрическими характеристиками. When going beyond the specified limits of the quantitative ratios of the components or in violation of other conditions of the method, it is not possible to solve the main problem of the proposed invention to obtain single-phase fine-grained mullite ceramics with increased strength and thermostable dielectric characteristics.

Петрографический, рентгенофазовый и ИК-спектральный анализы подтвердили, что в рамках предложенного способа действительно достигается поставленная в изобретении задача удается получить тонкозернистую однофазную керамику из муллита, свойства которой представлены в таблице. Petrographic, x-ray phase and infrared spectral analyzes confirmed that the proposed method really achieves the objective of the invention, it is possible to obtain a fine-grained single-phase mullite ceramic, the properties of which are presented in the table.

П р и м е р 1. Смешивают 37,2 г порошка кремния (Si, KpI, ГОСТ 2169-79) и 162,8 г нитрида алюминия (AlN, ТУ 6-09-110-75) и путем совместного помола на планетарной мельнице готовят шихту, содержащую 18,6 мас. кремния и 81,4 мас. нитрида алюминия при атомном соотношении кремний: алюминий Si Al 1 3, в которую вводят 6 г парафина. Затем гранулированием получают пресс-порошок, из которого при 300 МПа формуют заготовки и обжигают их на воздухе при 1170 К до прекращения изменений массы этих заготовок. После охлаждения получают 282,2 г керамики на основе муллита, выход которой составил 141%
П р и м е р 2. Смешивают 28,2 г порошка кремния (Si, KpI, ГОСТ 2169-79) и 171,8 г нитрида алюминия (AlN, Ч, ТУ 6-09-110-75) и путем совместного помола на планетарной мельнице готовят шихту, содержащую 14,1 мас. кремния и 85,9 мас. нитрида алюминия при атомном соотношении кремний алюминий Si Al 1 4, в которую вводят 6 г каучука. Затем путем гранулирования получают пресс-порошок, из которого при 300 МПа формуют заготовки и обжигают их на воздухе при 1870 К до прекращения изменений массы этих заготовок. После охлаждения получают 274 г керамики на основе муллита, выход которой составил 137%
Основные свойства и характеристики полученной керамики на основе муллита представлены в таблице в сравнении с характеристиками прототипа.PRI me R 1. Mix 37.2 g of silicon powder (Si, KpI, GOST 2169-79) and 162.8 g of aluminum nitride (AlN, TU 6-09-110-75) and by co-grinding on a planetary the mill is preparing a mixture containing 18.6 wt. silicon and 81.4 wt. aluminum nitride at an atomic ratio of silicon: aluminum Si Al 1 3, into which 6 g of paraffin is introduced. Then granulation produces a press powder, from which preforms are formed at 300 MPa and burned in air at 1170 K until the mass changes of these preforms cease. After cooling, 282.2 g of mullite-based ceramic is obtained, the yield of which is 141%
PRI me R 2. Mix 28.2 g of silicon powder (Si, KpI, GOST 2169-79) and 171.8 g of aluminum nitride (AlN, H, TU 6-09-110-75) and by joint grinding at a planetary mill prepare a mixture containing 14.1 wt. silicon and 85.9 wt. aluminum nitride at an atomic ratio of silicon aluminum Si Al 1 4 into which 6 g of rubber is introduced. Then, by granulation, a press powder is obtained from which preforms are molded at 300 MPa and burned in air at 1870 K until the mass changes of these preforms cease. After cooling, 274 g of mullite-based ceramic is obtained, the yield of which was 137%
The main properties and characteristics of the obtained ceramics based on mullite are presented in the table in comparison with the characteristics of the prototype.

Анализ полученных результатов и данных, представленных в таблице показывает, что поставленная в изобретении задача решена получена тонкозернистая однофазная керамика из муллита с зернами округлой формы, что положительным образом проявляется при электрофизических испытаниях, которые подтверждают повышенную термостабильность керамики, пониженные значения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь при одновременном проявлении повышенных прочностных характеристик керамики из муллита (SINALOX-M), выход которой составляет 137 141% An analysis of the results and the data presented in the table shows that the problem set in the invention is solved; a fine-grained single-phase mullite ceramic with round grains is obtained, which is positively manifested in electrophysical tests, which confirm the increased thermal stability of the ceramic, lower dielectric permittivity and dielectric loss at the simultaneous manifestation of the increased strength characteristics of mullite ceramics (SINALOX-M), the output of which is 137 14 1%

Claims

METHOD FOR PRODUCING CERAMICS BASED ON SINALOX-M MULLITE by preparing a mixture by mixing powders of silicon and aluminum components, forming blanks and then firing them in an oxygen-containing atmosphere, characterized in that silicon powder is used as a silicon-containing component, and nitride is used as a silicon-containing component the following quantitative ratios, wt.%:
Silicon - 14.1 - 18.6
Aluminum nitride - 81.4 - 85.9
in this case, when mixing the components, the atomic ratio of silicon: aluminum is 1: 3 to 4, and firing is carried out until the change in the mass of the fired preforms is stopped.