[go: up one dir, main page]

RU2525892C1 - Method of obtaining quartz ceramics - Google Patents

Method of obtaining quartz ceramics Download PDF

Info

Publication number
RU2525892C1
RU2525892C1 RU2013130201/03A RU2013130201A RU2525892C1 RU 2525892 C1 RU2525892 C1 RU 2525892C1 RU 2013130201/03 A RU2013130201/03 A RU 2013130201/03A RU 2013130201 A RU2013130201 A RU 2013130201A RU 2525892 C1 RU2525892 C1 RU 2525892C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
quartz
ceramics
solution
samples
ceramic
Prior art date
Application number
RU2013130201/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Константинович Евстропьев
Валерий Михайлович Волынкин
Александр Викторович ШАШКИН
Светлана Евгеньевна СОКОЛОВА
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (ОАО "НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (ОАО "НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова") filed Critical Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (ОАО "НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова")
Priority to RU2013130201/03A priority Critical patent/RU2525892C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2525892C1 publication Critical patent/RU2525892C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method of obtaining quartz ceramics includes production of slip from broken quartz glass, formation of a raw material blank by a method of casting in gypsum moulds, soaking the raw material blank with a liquid soaking solution, drying the soaked blank of quartz ceramics and following thermal processing. The soaking solution contains a mixture of Al(NO3)3, tetraethoxysilane, ethanol and water, the molar ratio of components provides in the soaking solution pH≥4, and thermal processing of the soaked quartz ceramics blank is realised at a temperature of 950-1200°C.
EFFECT: increase of strength and heat resistance of the products.
2 cl, 6 dwg, 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к керамической промышленности, а точнее к технологии получения модифицированных керамических материалов на основе кварцевого стекла с повышенной высокотемпературной прочностью для изготовления керамических изделий различного назначения.The invention relates to the ceramic industry, and more specifically to a technology for producing modified ceramic materials based on quartz glass with high-temperature strength for the manufacture of ceramic products for various purposes.

Кварцевая керамика широко применяются для создания различных огнеупорных изделий для стекольной промышленности и металлургии (тигли, ковши, мешалки, патрубки, технологическая оснастка), методы ее получения известны по многочисленным научным публикациям, в том числе патентной информации.Quartz ceramics are widely used to create various refractory products for the glass industry and metallurgy (crucibles, ladles, mixers, nozzles, technological equipment), methods for its preparation are known from numerous scientific publications, including patent information.

В патентной информации US 20090206525, опубликованной 20.08.2009 по индексу МПК С04В 35/64, описан способ получения материала из кварцевой керамики, включающий формирование пористого керамической заготовки из суспензии кремнеземных частиц с последующей пропиткой пористого материала жидким раствором, содержащим спекающие добавки (соединения щелочных или щелочноземельных металлов, бора или фосфора).In patent information US 20090206525, published on 08/20/2009 under the IPC index С04В 35/64, a method for producing quartz ceramic material is described, which includes forming a porous ceramic preform from a suspension of silica particles, followed by impregnation of the porous material with a liquid solution containing sintering additives (alkaline or alkaline earth metals, boron or phosphorus).

Патентная публикация US 20120098169, опубликованная 26.04.2012 по индексу МПК С04В 35/64, описывает получение высокоплотной кварцевой керамики при использовании оксида бора в качестве спекающей добавки. Оксид бора вводился в состав материала в виде порошка на стадии изготовления исходной суспензии дисперсных частиц.Patent publication US 20120098169, published April 26, 2012 according to the IPC index C04B 35/64, describes the preparation of high-density quartz ceramics using boron oxide as a sintering additive. Boron oxide was introduced into the composition of the material in the form of a powder at the stage of manufacturing the initial suspension of dispersed particles.

Использование соединений бора в качестве спекающей добавки для кварцевой керамики, вводимой путем пропитки жидким раствором пористой керамической заготовки, описано также в патентной публикации US 20090206525.The use of boron compounds as a sintering aid for silica ceramics, introduced by impregnation of a porous ceramic preform with a liquid solution, is also described in patent publication US 20090206525.

Керамика, содержащая SiO2 и Al2O3, хорошо известна своими высокими прочностными свойствами и термостойкостью и описана в научной и патентной литературе. При этом в литературе описаны керамические материалы, характеризующиеся различным соотношением компонентов (Al2O3/SiO2) и полученные различными методами. Так, в патенте US 4895814, опубликованном 23.01.1990 по индексу МПК С04В 35/18, описана керамика, обладающая повышенной прочностью при высоких температурах. Описанный в этом патенте технологический процесс включает использование аморфных порошков оксидов алюминия и кремния, прессование их смеси и спекание при температурах 1500-1750°С.Ceramics containing SiO 2 and Al 2 O 3 are well known for their high strength properties and heat resistance and are described in the scientific and patent literature. Moreover, ceramic materials are described in the literature, characterized by different component ratios (Al 2 O 3 / SiO 2 ) and obtained by various methods. So, in the patent US 4895814, published 01/23/1990 on the IPC index C04B 35/18, describes ceramics with high strength at high temperatures. The technological process described in this patent includes the use of amorphous powders of aluminum and silicon oxides, pressing their mixtures and sintering at temperatures of 1500-1750 ° C.

Необходимо отметить, что полученная керамика содержит более 50 вес.% оксида алюминия.It should be noted that the resulting ceramic contains more than 50 wt.% Alumina.

В патенте РФ 2436206, опубликованном 10.12.2011 по индексу МПК H01Q 1/42, упрочнение и герметизацию поверхностного слоя кварцевой керамики осуществляют путем модификации ее поверхностного слоя на глубину 1-3 мм пропиткой водным раствором соли хрома с плотностью 1200-1400 кг/м3 с последующей сушкой и термообработкой материала при температуре 450-750°С в течение 1-3 часов.In the patent of the Russian Federation 2436206, published December 10, 2011 according to the IPC index H01Q 1/42, hardening and sealing of the surface layer of quartz ceramics is carried out by modifying its surface layer to a depth of 1-3 mm by impregnation with an aqueous solution of chromium salt with a density of 1200-1400 kg / m 3 followed by drying and heat treatment of the material at a temperature of 450-750 ° C for 1-3 hours.

Метод пропитки растворами, содержащими соединения хрома, пористых огнеупорных изделий с целью их упрочнения был описан также в патенте US 3789096, опубликованном 29.01.1974 по индексам МПК В23Р 15/28, B24D 3/14? С04В 41/50. В этом способе технологический процесс включает полную пропитку керамической заготовки водным или спиртовым раствором соединений хрома с последующим обжигом при температуре спекания материала. Пропитку осуществляют по всему объему путем погружения заготовки в раствор. Как и в предыдущих аналогах, соединения хрома вводятся до обжига материала или изделия, и они являются структурными элементами материала, положительно влияющими на одни и отрицательно на другие свойства материала и изделия. Как описано в патенте РФ 2436206, применительно к кварцевой керамике такое техническое решение приводит к усилению кристаллизации кварцевого стекла, снижению термостойкости, прочности и ухудшению диэлектрических характеристик материала.The method of impregnation with solutions containing chromium compounds of porous refractory products with the aim of hardening them was also described in US patent 3789096, published 01/29/1974 on indices IPC B23P 15/28, B24D 3/14? C04B 41/50. In this method, the technological process involves the complete impregnation of the ceramic preform with an aqueous or alcoholic solution of chromium compounds, followed by firing at the sintering temperature of the material. Impregnation is carried out throughout the volume by immersion of the workpiece in the solution. As in the previous analogues, chromium compounds are introduced before the firing of the material or product, and they are structural elements of the material, positively affecting one and negatively on other properties of the material and product. As described in RF patent 2436206, in relation to quartz ceramics, such a technical solution leads to increased crystallization of quartz glass, a decrease in heat resistance, strength and deterioration of the dielectric characteristics of the material.

В патенте US 5639412, опубликованном 17.06.1997 по индексам С04В 35/14, С04В 35/624, С04В 38/00, описан золь, состоящий из частиц кремнезема, поверхность которых модифицирована ионами металлов (в качестве примера в патенте описана модификация частиц кремнезема ионами алюминия). Золь, согласно описанию патента, имеет pH<3, а размер коллоидных частиц настолько мал, что обеспечивал возможность формирования из таких частиц пористого тела с размером пор ≤20 Å.In the patent US 5639412, published on 06/17/1997 on indices С04В 35/14, С04В 35/624, С04В 38/00, a sol consisting of silica particles, the surface of which is modified by metal ions, is described (as an example, the patent describes the modification of silica particles by ions aluminum). The sol, according to the description of the patent, has a pH <3, and the size of the colloidal particles is so small that it made it possible to form a porous body with pore size ≤20 Å from such particles.

Необходимо отметить, что использование золя, описанного в патенте US 5639412, в качестве пропитывающего раствора для модификации и упрочнения кварцевой керамики является неэффективным. В описанном золе соотношение атомов алюминия и кремния составляет, в соответствии с описанием патента, [Al]/[Al]+[Si]=0,01-0,05. При пропитке таким золем исходного керамического материала, содержащего более 99% SiO2 и имеющего открытую пористость менее 30%, и последующей термообработке полученный модифицированный материал будет содержать не более 0,03% Al2O3. Близкий по химическому составу композиционный золь, содержащий SiO2 и Al2O3 и используемый для изготовления пористой керамики, описан в патенте US 5610109, опубликованном 11.03.1997 по индексам МПК C04B 35/14, C04B 35/624, C04B 38/00.It should be noted that the use of sols described in US patent 5639412, as an impregnating solution for the modification and hardening of quartz ceramics is ineffective. In the described ash, the ratio of aluminum atoms to silicon is, in accordance with the description of the patent, [Al] / [Al] + [Si] = 0.01-0.05. When such a sol is impregnated with an initial ceramic material containing more than 99% SiO 2 and having an open porosity of less than 30%, and subsequent heat treatment, the resulting modified material will contain no more than 0.03% Al 2 O 3 . A compositionally similar composite sol containing SiO 2 and Al 2 O 3 and used for the manufacture of porous ceramics is described in US Pat. No. 5,610,109, published March 11, 1997 for IPC indices C04B 35/14, C04B 35/624, C04B 38/00.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому материалу является упрочненный керамический материал, описанный в патенте РФ 2458022, опубликованном 10.08.2012 по индексам МПК C04B 35/14 и B82B 3/00. В этом патенте описана наномодифицированная кварцевая керамика, включающая пористую керамическую основу из зерен кварцевого стекла и модифицирующую добавку из оксида алюминия. В качестве основы описанный материал содержит обожженную кварцевую керамику или изделия из нее с открытой пористостью 7-14%, полученные методом водного шликерного литья из полидисперсной суспензии с размером зерен от 0,1 до 500 мкм, при содержании частиц 0,1-5,0 мкм 20-30%, частиц 60-500 мкм 2-10%. В качестве модифицирующей добавки материал содержит наночастицы α-Al2O3 в количестве 1,0-2,5 вес.%, внедренные в зоны стыка зерен кварцевого стекла за счет массопереноса. Наночастицы α-Al2O3 получают за счет пропитки керамической основы водным раствором соли алюминия Al(NO3)3·9H2O, сушки и пиролиза при температуре 400-600°C. Недостатком способа-прототипа является то, что вводимые в стыковые зоны керамики наночастицы α-Al2O3 лишь заполняют часть пустот материала и немного увеличивают его плотность, в то же время практически не способствуя дополнительному связыванию кремнеземистых частиц в единый каркас.By technical nature, the closest to the proposed material is a hardened ceramic material described in the patent of the Russian Federation 2458022, published on 08/10/2012 by the IPC indices C04B 35/14 and B82B 3/00. This patent describes nanomodified quartz ceramics comprising a porous ceramic base of silica glass grains and a modifying additive of alumina. As a basis, the described material contains fired quartz ceramics or products from it with an open porosity of 7-14%, obtained by water slip casting from a polydisperse suspension with grain sizes from 0.1 to 500 microns, with a particle content of 0.1-5.0 μm 20-30%, particles 60-500 μm 2-10%. As a modifying additive, the material contains α-Al 2 O 3 nanoparticles in an amount of 1.0-2.5 wt.%, Embedded in the junction zone of silica glass grains due to mass transfer. Α-Al 2 O 3 nanoparticles are obtained by impregnating a ceramic base with an aqueous solution of aluminum salt Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, drying and pyrolysis at a temperature of 400-600 ° C. The disadvantage of the prototype method is that the α-Al 2 O 3 nanoparticles introduced into the joint zones of the ceramic only fill part of the voids of the material and slightly increase its density, while at the same time practically not contributing to the additional binding of siliceous particles into a single framework.

Задача изобретения состоит в разработке метода получения высокопрочной термостойкой кварцевой керамики. Поставленная цель достигается тем, что наряду с модифицирующей добавкой соли алюминия в состав пропитывающего раствора вводится материал, способный формировать коллоидные частицы кремнезема, которые в свою очередь формируют цепочки и сети коллоидных частиц кремнезема, дополнительно связывающие частицы кремнеземистые частицы керамического материала.The objective of the invention is to develop a method for producing high-strength heat-resistant quartz ceramics. This goal is achieved in that along with the modifying addition of aluminum salt, a material capable of forming colloidal silica particles is introduced into the composition of the impregnating solution, which in turn form chains and networks of colloidal silica particles, additionally connecting particles of siliceous particles of ceramic material.

Способ получения кварцевой керамики включает изготовление шликера из боя кварцевого стекла, формирование сырой заготовки методом отлива в гипсовые формы, пропитку сырой заготовки жидким пропитывающим раствором, сушку пропитанной заготовки кварцевой керамики и последующую термообработку, в отличие от прототипа пропитывающий раствор содержит смесь Al(NO3)3, тетраэтоксисилана, этанола и воды, при этом молярное соотношение компонентов обеспечивает в пропитывающем растворе рН≥4, а термообработку пропитанной заготовки кварцевой керамики осуществляют при температуре 950-1200°C.A method for producing quartz ceramics includes the production of a slurry from a quartz glass battle, the formation of a crude preform by casting in gypsum molds, the impregnation of a crude preform with a liquid impregnating solution, drying of the impregnated quartz ceramic preform and subsequent heat treatment, in contrast to the prototype, the impregnating solution contains a mixture of Al (NO 3 ) 3 , tetraethoxysilane, ethanol and water, while the molar ratio of the components provides a pH≥4 in the impregnating solution, and heat treatment of the impregnated quartz ceramic blank carried out at a temperature of 950-1200 ° C.

Пропитывающий раствор имеет продолжительность гелеобразования от 10 минут до 6 часов.The impregnating solution has a gelation time of 10 minutes to 6 hours.

С учетом технико-экономических требований способ получения плотной и механически прочной кварцевой керамики должен обеспечивать экологическую безопасность производства, не требовать использования сложного и дорогостоящего оборудования и быть основан на применении недефицитных и недорогих сырьевых материалов. Хорошо известно, что при термообработке при температурах >1200°C в кварцевой керамике происходят процессы кристаллизации кристобалита, сопровождающиеся значительным снижением прочности материала (см. [1]). Поэтому температура технологического процесса обработки изделий из кварцевой керамики не должна превышать 1200°C.Taking into account technical and economic requirements, the method for producing dense and mechanically strong quartz ceramics should ensure environmental safety of production, not require the use of complex and expensive equipment, and be based on the use of non-deficient and inexpensive raw materials. It is well known that during heat treatment at temperatures> 1200 ° C, crystallization of cristobalite occurs in quartz ceramics, accompanied by a significant decrease in the strength of the material (see [1]). Therefore, the temperature of the technological process of processing products made of quartz ceramics should not exceed 1200 ° C.

Использование кремнийорганических связующих для производства технической оксидной керамики описано в научно-технической литературе. Так, в [2] приведены результаты разработок по использованию тетраэтоксисилана и других органосиликатных соединений в качестве связующего для порошкообразных материалов при изготовлении композиционных материалов.The use of organosilicon binders for the production of technical oxide ceramics is described in the scientific and technical literature. So, in [2], the results of developments on the use of tetraethoxysilane and other organosilicate compounds as a binder for powder materials in the manufacture of composite materials are presented.

Пропитка предварительно сформированных монолитных изделий из пористой кварцевой керамики кремнийорганическими полимерными соединениями описана в патенте РФ 2209494, опубликованном 27.07.2003 по индексу МПК H01Q 1/42. Пропитанные этими соединениями керамические изделия в последующих технологических процессах не подвергались термообработке и по структуре материала представляли собой полимерно-керамический композит.The impregnation of preformed monolithic products from porous quartz ceramics with organosilicon polymer compounds is described in RF patent 2209494, published July 27, 2003 according to the IPC index H01Q 1/42. The ceramic products impregnated with these compounds were not subjected to heat treatment in subsequent technological processes and were polymer-ceramic composite in the structure of the material.

Выбор способа обработки изделий из кварцевой керамики основывается на рассмотрении свойств обрабатываемого материала и общей используемой технологической схемы изготовления из него изделий.The choice of the processing method for products made of quartz ceramics is based on a consideration of the properties of the material being processed and the general technological scheme used for manufacturing products from it.

Общая используемая схема изготовления изделий из кварцевой керамики является общепринятой (см. напр. [1]) и включает следующие основные технологические операции:The general scheme used for manufacturing products from quartz ceramics is generally accepted (see, for example, [1]) and includes the following main technological operations:

1. Изготовление шликера из боя кварцевого стекла.1. The production of slip from the battle of quartz glass.

2. Формирование сырой заготовки методом отлива в гипсовые формы.2. The formation of raw billets by casting in plaster molds.

3. Сушка сырого изделия.3. Drying the raw product.

4. Термообработка при температурах 1100-1200°С.4. Heat treatment at temperatures of 1100-1200 ° C.

По технико-экономическим причинам (экономия энергоресурсов; отсутствие необходимости использования дополнительного сложного оборудования) технологический процесс упрочнения керамических изделий целесообразно совместить с одной или несколькими уже использующимися стадиями технологического процесса.For technical and economic reasons (energy saving; no need to use additional sophisticated equipment), it is advisable to combine the process of hardening ceramic products with one or more stages of the process that are already in use.

В предлагаемом методе стадию упрочнения кварцевой керамики предлагается совместить с уже используемой в технологическом процессе стадией термообработки материала при температурах 1100-1200°С. Хорошо известно, что при термообработке при этих температурах происходит полное разложение нитрата алюминия с образованием оксида.In the proposed method, the stage of hardening of quartz ceramics is proposed to be combined with the stage of heat treatment of the material already used in the technological process at temperatures of 1100-1200 ° С. It is well known that during heat treatment at these temperatures, complete decomposition of aluminum nitrate occurs with the formation of oxide.

Хорошо известно, что в водном растворе тетраэтоксисилан (TEOS) гидролизуется с образованием кремниевой кислоты:It is well known that in an aqueous solution tetraethoxysilane (TEOS) is hydrolyzed to form silicic acid:

S i ( O C 2 H 5 ) 4 + 4 H 2 O S i ( O H ) 4 + 4 C 2 H 5 O H ( 1 )

Figure 00000001
S i ( O C 2 H 5 ) four + four H 2 O S i ( O H ) four + four C 2 H 5 O H ( one )
Figure 00000001

Скорость процесса гидролиза зависит от химического состава, pH и температуры раствора. Из уравнения реакции (1) хорошо видно, что для полного протекания процесса гидролиза TEOS молярное соотношение [H2O]/[TEOS] в растворе должно быть ≥4.The speed of the hydrolysis process depends on the chemical composition, pH and temperature of the solution. From reaction equation (1), it is clearly seen that for the TEOS hydrolysis to proceed completely, the molar ratio [H 2 O] / [TEOS] in the solution should be ≥4.

Влияние pH раствора на протекание процессов гидролиза TEOS и конденсации частиц кремнезема подробно описано в литературе (см., например, [3]). В нейтральной среде скорость гидролиза невелика. Для ускорения гидролиза TEOS процесс проводят в щелочной или в кислой среде.The effect of the pH of the solution on the processes of TEOS hydrolysis and condensation of silica particles is described in detail in the literature (see, for example, [3]). In a neutral environment, the hydrolysis rate is low. To accelerate the hydrolysis of TEOS, the process is carried out in an alkaline or acidic environment.

В щелочной среде при комнатной температуре процессы гидролиза TEOS и роста образующихся частиц SiO2 протекают очень быстро. В таком растворе за очень короткое время образуются крупные частицы кремнезема, раствор быстро мутнеет и расслаивается из-за осаждения этих крупных частиц. Кроме того, в щелочной среде возможно образование осадков малорастворимых гидрооксидов металлов. Поэтому для введения в кварцевую керамику модифицирующих неорганических компонентов целесообразно использовать пропитывающие растворы, имеющие pH<7. Отметим, что водные растворы солей сильных кислот и некоторых металлов (например, алюминия) имеют pH<7 из-за частичного гидролиза.In an alkaline medium at room temperature, the processes of TEOS hydrolysis and the growth of the formed SiO 2 particles proceed very quickly. In such a solution, in a very short time, large particles of silica are formed, the solution quickly becomes cloudy and delaminates due to the deposition of these large particles. In addition, in an alkaline environment, precipitation of sparingly soluble metal hydroxides is possible. Therefore, for introducing modifying inorganic components into quartz ceramics, it is advisable to use impregnating solutions having a pH <7. Note that aqueous solutions of salts of strong acids and some metals (for example, aluminum) have a pH <7 due to partial hydrolysis.

Образующаяся кремниевая кислота способна формировать коллоидные частицы кремнезема, образуя коллоидный раствор (золь). Образующиеся коллоидные частицы, взаимодействуя друг с другом, образуют агрегаты, вязкость раствора постепенно увеличивается и жидкий раствор превращается в гель. Скорость перехода раствора из жидкого в гелеобразное состояние также сильно зависит от его химического состава, pH и температуры. С увеличением вязкости раствора скорость пропитки им керамики резко снижается. Поэтому химический состав и pH пропитывающего раствора должны быть выбраны таким образом, чтобы в течение всего процесса пропитки исходной заготовки из кварцевой керамики раствор оставался бы в жидком состоянии, и вязкость его оставалась бы практически неизменной. Это означает, что при комнатной температуре продолжительность гелеобразования свежеприготовленного раствора (промежуток времени от смешения исходных компонентов жидкого раствора до превращения этого раствора в гель) должна превышать 10-15 минут, т.е. время, в течение которого раствором могут быть пропитаны хотя бы поверхностные слои изделия из кварцевой керамики.The resulting silicic acid is able to form colloidal particles of silica, forming a colloidal solution (sol). The resulting colloidal particles, interacting with each other, form aggregates, the viscosity of the solution gradually increases and the liquid solution turns into a gel. The rate of transition of a solution from a liquid to a gel state also strongly depends on its chemical composition, pH, and temperature. With increasing viscosity of the solution, the speed of impregnation of ceramics with them sharply decreases. Therefore, the chemical composition and pH of the impregnating solution should be chosen so that during the entire process of impregnation of the initial quartz ceramic blank, the solution would remain in a liquid state and its viscosity would remain practically unchanged. This means that at room temperature, the gelation time of a freshly prepared solution (the time interval from mixing the initial components of a liquid solution to turning this solution into a gel) should exceed 10-15 minutes, i.e. the time during which at least the surface layers of a quartz ceramic product can be impregnated with a solution.

При контакте рассматриваемого свежеприготовленного пропитывающего раствора с кварцевой керамикой образующаяся при гидролизе TEOS кремниевая кислота может взаимодействовать с ее поверхностью частиц кремнезема, составляющих структуру керамики. Формирующиеся в результате этого взаимодействия новые химические связи будут дополнительно связывать частицы кремнезема и способствовать упрочнению керамики. Кроме того, коллоидные частицы кремнезема, образовавшиеся в растворе, заполняют поры и микротрещины в структуре керамики, способствуя уплотнению и упрочнению керамического материала.Upon contact of the considered freshly prepared impregnating solution with quartz ceramic, the silicic acid formed during the hydrolysis of TEOS can interact with its surface of silica particles that make up the ceramic structure. New chemical bonds formed as a result of this interaction will additionally bind silica particles and contribute to the hardening of ceramics. In addition, colloidal silica particles formed in the solution fill the pores and microcracks in the ceramic structure, contributing to the compaction and hardening of the ceramic material.

Конкретный пример №1 изготовления кварцевой керамики.Specific example No. 1 for the manufacture of quartz ceramics.

В качестве исходного материала были использованы образцы кварцевой керамики, полученные методом шликерного литья в гипсовые формы и подвергнутые сушке при комнатной температуре. Образцы имели форму штабиков размерами 65×8×8 мм и характеризовались пористостью ~25%.Samples of quartz ceramics obtained by slip casting in gypsum molds and dried at room temperature were used as the starting material. The samples were in the form of stacks with dimensions of 65 × 8 × 8 mm and were characterized by porosity of ~ 25%.

Были изготовлены водно-спиртовые растворы на основе тетраэтоксисилана (TEOS, Si(C2H5O)4) с модифицирующими компонентами для пропитки образцов пористой кварцевой керамики. Химический состав растворов приведен в Таблице 1. Образцы керамики пропитывались растворами при комнатной температуре в течение 10 минут. После пропитки образцы подвергались сушке при комнатной температуре в течение 24 часов и термообработке в электрической муфельной печи. Максимальная температура обработки образцов указана в Таблице 2. При обработке образцов №№1-25 при достижении указанной максимальной температуры нагрев сразу же прекращался и образцы остывали до комнатной температуры. При обработке образцов №№26-30 образцы выдерживались при максимальной температуре 2 часа и затем образцы остывали до комнатной температуры.Water-alcohol solutions based on tetraethoxysilane (TEOS, Si (C 2 H 5 O) 4 ) with modifying components for impregnating samples of porous quartz ceramics were prepared. The chemical composition of the solutions is shown in Table 1. The ceramic samples were impregnated with solutions at room temperature for 10 minutes. After impregnation, the samples were dried at room temperature for 24 hours and heat treated in an electric muffle furnace. The maximum temperature for processing samples is shown in Table 2. When processing samples No. 1-25, when the specified maximum temperature is reached, heating immediately ceased and the samples cooled to room temperature. When processing samples No. 26-30, the samples were kept at a maximum temperature of 2 hours and then the samples were cooled to room temperature.

Определение кажущейся плотности и открытой пористости проводили методом гидростатического взвешивания в соответствие с ГОСТ 2409-80. Определение предела прочности при изгибе проводили методом трехточечного изгиба.The apparent density and open porosity were determined by hydrostatic weighing in accordance with GOST 2409-80. Determination of tensile strength in bending was carried out by the method of three-point bending.

Результаты сравнительных испытаний, приведенные в Таблице 2, показывают, что обработка изделий из кварцевой керамики приводит к значительному увеличению ее прочности на изгиб. Наблюдаемое увеличение прочности проявляется при использовании различной продолжительности пропитки керамики растворами и при различных температурах ее последующей термообработки (950-1200°С).The results of comparative tests, shown in Table 2, show that the processing of products made of quartz ceramics leads to a significant increase in its bending strength. The observed increase in strength is manifested when using different durations of impregnation of ceramics with solutions and at different temperatures of its subsequent heat treatment (950-1200 ° C).

Сопоставление данных по плотности керамики показывает, что плотность обработанных образцов выше. При этом необходимо отметить, что значения плотности обработанных образцов значительно ниже величины плотности плотного аморфного кремнезема (2,2 г/см3). Наблюдаемое значительное увеличение прочности керамики при относительно небольшом увеличении плотности образцов позволяет предположить, что обработка приводит к заполнению наиболее мелких пор и залечиванию микротрещин, определяющих прочность материала.A comparison of the data on the density of ceramics shows that the density of the processed samples is higher. It should be noted that the density values of the processed samples are significantly lower than the density of dense amorphous silica (2.2 g / cm 3 ). The observed significant increase in the strength of ceramics with a relatively small increase in the density of samples suggests that treatment leads to the filling of the smallest pores and healing of microcracks that determine the strength of the material.

Таблица 1.Table 1. Химический состав пропитывающих растворов.The chemical composition of the impregnating solutions. № п/пNo. p / p Химический состав растворов и характеристика растворовChemical composition of solutions and characteristics of solutions Состав твердой фазы, образующейся при сушке и последующей термообработке растворов∗, мол.%The composition of the solid phase formed during drying and subsequent heat treatment of solutions ∗, mol.% Вода, гWater g Этанол, гEthanol, g TEOS, гTEOS g Al(NO3)3 9H2O, гAl (NO 3 ) 3 9H 2 O, g Характеристика раствораSolution characteristics SiO2 SiO 2 Al2O3 Al 2 O 3 1one 1010 2525 2929th 4four Пропитывающий состав прозрачен и однороденThe impregnating composition is transparent and uniform. 96,496.4 3,63.6 22 1010 33 2929th 4four Раствор неоднороден, отчетливо видна плохая смешиваемость компонентовThe solution is heterogeneous, poor miscibility of the components is clearly visible 33 1010 2525 2929th 4040 Раствор неоднороден, присутствуют отдельные неоднородные белые хлопьяThe solution is heterogeneous, there are separate heterogeneous white flakes ∗ В таблице приведен расчетный состав твердой фазы в мольных процентах оксидов.∗ The table shows the calculated composition of the solid phase in molar percent of oxides.

Очевидно, что для однородной и воспроизводимой обработки керамических образцов пропитывающий раствор должен быть однородным. Испытанные нами образцы растворов №2 и №3 этим свойством не обладают.Obviously, for a uniform and reproducible processing of ceramic samples, the impregnating solution must be homogeneous. The samples of solutions No. 2 and No. 3 we tested did not possess this property.

Табл. 2. Tab. 2. Прочность на изгиб керамических образцов.Flexural strength of ceramic samples. № п/пNo. p / p Продолжительность пропиткиDuration of impregnation Температура обработки, °СProcessing temperature, ° С Номер пропитывающего раствораImpregnation Solution Number Прочность,
кг/см2
Strength,
kg / cm 2
Среднее значение прочности Pcp.,
кг/см2
The average value of the strength P cp .,
kg / cm 2
Среднеквадратичное отклонение, σStandard deviation, σ Относительное стандартное отклонение,
σ/Рср
Relative standard deviation
σ / P cf
Кажущаяся плотность,
г/см3
Apparent density
g / cm 3
Открытая пористость, %Open porosity,%
1one -- 950950 -- 77 11eleven 99 0,820.82 1.721.72 2121 22 -- 950950 -- 1010 33 -- 950950 -- 77 4four -- 950950 -- 2727 55 -- 950950 -- 22 66 16 часов16 hours 950950 1one 189189 145145 5656 0,390.39 1,811.81 17,117.1 77 16 часов16 hours 950950 1one 182182 88 16 часов16 hours 950950 1one 155155 99 16 часов16 hours 950950 1one 164164 1010 16 часов16 hours 950950 1one 3535 11eleven 20 мин20 minutes 950950 1one 131131 140140 2424 0,170.17 1212 20 мин20 minutes 950950 1one 121121 1313 20 мин20 minutes 950950 1one 136136 14fourteen 20 мин20 minutes 950950 1one 186186 15fifteen 20 мин20 minutes 950950 1one 124124 1616 90 мин90 min 950950 1one 123123 135135 1010 0,080.08 1717 90 мин90 min 950950 1one 135135 18eighteen 90 мин90 min 950950 1one 152152 1919 90 мин90 min 950950 1one 133133 11eleven -- 10501050 -- 11eleven 30thirty 1313 0,430.43 1,741.74 20,020,0 1212 -- 10501050 -- 3939 1313 -- 10501050 -- 1717 14fourteen -- 10501050 -- 4343 15fifteen -- 10501050 -- 3838

1616 12 мин12 min 10501050 1one 220220 261261 3131 0,120.12 1,781.78 18,818.8 1717 12 мин12 min 10501050 1one 277277 18eighteen 12 мин12 min 10501050 1one 240240 1919 12 мин12 min 10501050 1one 311311 20twenty 12 мин12 min 10501050 1one 259259 2121 12 мин12 min 12001200 1one 288288 325325 5555 0,170.17 1,791.79 17,817.8 2222 12 мин12 min 12001200 1one 312312 2323 12 мин12 min 12001200 1one 362362 2424 12 мин12 min 12001200 1one 326326 2525 12 мин12 min 12001200 1one 337337 2626 -- 1200∗∗1200 ∗∗ -- 9898 116116 2727 0,230.23 -- -- 2727 -- 1200∗∗1200 ∗∗ -- 7575 2828 -- 1200∗∗1200 ∗∗ -- 120120 2929th -- 1200∗∗1200 ∗∗ -- 148148 30thirty -- 1200∗∗1200 ∗∗ -- 142142 3131 12 мин12 min 900900 1one 183183 226226 2929th 0,130.13 3232 12 мин12 min 900900 1one 233233 3333 12 мин12 min 900900 1one 262262 3434 12 мин12 min 900900 1one 202202 3535 12 мин12 min 900900 1one 249249 3636 12 мин12 min 20twenty 1one 152152 137137 2323 0,170.17 3737 12 мин12 min 20twenty 1one 159159 3838 12 мин12 min 20twenty 1one 146146

3939 12 мин12 min 20twenty 1one 132132 4040 12 мин12 min 20twenty 1one 9595 ∗ Пропитка образцов №№б-11 осуществлялась в течение 16 часов при комнатной температуре.
∗∗ При обработке образцов №№26-30 образцы выдерживались при максимальной температуре 2 часа и затем образцы остывали до комнатной температуры.
∗ Samples No. B-11 were impregnated for 16 hours at room temperature.
∗∗ When processing samples No. 26-30, the samples were kept at a maximum temperature of 2 hours and then the samples were cooled to room temperature.

На Фиг.1 приведены зависимости прочности (кг/см2) исходного (кривая 1) и пропитанного раствором (кривая 2) керамических образцов от температуры термообработки. При термообработке этих образцов нагрев прекращался сразу же по достижению заданной температуры и образцы извлекались из печи после ее охлаждения до комнатной температуры. Из графиков видно, что упрочнение сырых исходных образцов наблюдается лишь при температурах термообработки более 1000-1100°С. При температуре 900°С прочность исходных и обработанных образцов одинакова. Значительное увеличение прочности образцов, пропитанных раствором №1 (см. Табл. 1), наблюдается при температурах >900°С. Именно поэтому заявляемый температурный интервал обработки материала 950-1200°С.Figure 1 shows the dependence of the strength (kg / cm 2 ) of the initial (curve 1) and impregnated with a solution (curve 2) ceramic samples from the heat treatment temperature. During the heat treatment of these samples, heating ceased immediately upon reaching the set temperature and the samples were removed from the furnace after it was cooled to room temperature. The graphs show that hardening of the raw starting samples is observed only at heat treatment temperatures of more than 1000-1100 ° C. At a temperature of 900 ° C, the strength of the initial and processed samples is the same. A significant increase in the strength of samples impregnated with solution No. 1 (see Table 1) is observed at temperatures> 900 ° C. That is why the claimed temperature range of material processing is 950-1200 ° C.

На Фиг.2 приведены зависимости относительного отклонения значений прочности образцов необработанной (кривая 1) и обработанной раствором (кривая 2) кварцевой керамики от температуры термообработки. Видно, что с увеличением температуры термообработки значения относительного отклонения значений прочности уменьшаются, т.е. разброс значений прочности образцов, обработанных при одинаковых условиях, становится меньше. Необходимо отметить, что значения относительного отклонения значений прочности образцов, обработанных раствором 1, значительно меньше, чем для необработанной керамики во всем использованном диапазоне температур термообработки. Это свидетельствует о том, что предлагаемый способ обработки кварцевой керамики обеспечивает не только значительное увеличение прочности, но и существенное уменьшение разброса ее значений, т.е. возрастает стабильность прочностных характеристик материала.Figure 2 shows the dependence of the relative deviation of the strength values of the samples of untreated (curve 1) and solution-treated (curve 2) quartz ceramics from the heat treatment temperature. It can be seen that with an increase in the heat treatment temperature, the values of the relative deviation of the strength values decrease, i.e. the spread in strength values of samples treated under the same conditions becomes smaller. It should be noted that the values of the relative deviation of the strength values of the samples treated with solution 1 are significantly less than for untreated ceramics in the entire range of heat treatment temperatures used. This indicates that the proposed method for processing quartz ceramics provides not only a significant increase in strength, but also a significant reduction in the spread of its values, i.e. the stability of the strength characteristics of the material increases.

На Фиг.3 и 4 приведены электронно-микроскопические снимки поверхности образцов, исходной кварцевой керамики, неподвергнутой жидкостной обработке (Фиг.3), и образца керамики, подвергнутого обработке в соответствии с предлагаемым методом (Фиг.4). Оба образца керамики были подвергнуты термообработке при 1050°С. Сравнение приведенных снимков показывает, что принципиальных изменений в структуре материала не наблюдается. Этот факт является неудивительным, учитывая общую низкую (около 25%) пористость исходных керамических образцов и низкое содержание твердой фазы в использованном растворе. Однако обращает на себя внимание визуально отчетливо проявляемая несколько большая связанность структуры материала.Figure 3 and 4 shows electron microscopic images of the surface of the samples, the original quartz ceramics, not subjected to liquid processing (Figure 3), and a sample of ceramics subjected to processing in accordance with the proposed method (Figure 4). Both ceramic samples were subjected to heat treatment at 1050 ° C. A comparison of the above images shows that there are no fundamental changes in the structure of the material. This fact is not surprising, given the overall low (about 25%) porosity of the initial ceramic samples and the low solids content in the used solution. However, attention is drawn to the visually clearly manifested somewhat greater coherence of the material structure.

Существенно другая картина наблюдается для электронно-микроскопических снимков областей излома образцов (Фиг.5 и 6). Если для образца керамики, не подвергнутого упрочняющей обработке, наблюдается полное разрушение структуры материала (Фиг.5), то образец, подвергнутый упрочняющей обработке (Фиг.6), сохраняет связанные воедино кремнеземистые частицы.A substantially different picture is observed for electron microscopic images of fracture areas of samples (Figs. 5 and 6). If for a ceramic sample not subjected to hardening treatment, complete destruction of the material structure is observed (Figure 5), then the sample subjected to hardening treatment (Figure 6) retains the silica particles bound together.

ЛитератураLiterature

1. Пивинский Ю.Е., Ромашин А.Г. Кварцевая керамика. - М.: Металлургия, 1974, 264 с.1. Pivinsky Yu.E., Romashin A.G. Quartz ceramics. - M.: Metallurgy, 1974, 264 p.

2. Яо И.М. Композиционные керамические материалы на основе кремнийорганического связующего и тугоплавких бескислородных наполнителей. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казанский государственный технологический университет, Казань, 2000.2. Yao I.M. Composite ceramic materials based on organosilicon binders and refractory oxygen-free fillers. - The dissertation for the degree of candidate of technical sciences. Kazan State Technological University, Kazan, 2000.

3. Айлер Р. Химия кремнезема, ч.1. М.: Мир, 1982, 416 с.3. Ayler R. Chemistry of silica, part 1. M.: Mir, 1982, 416 p.

Claims (2)

1. Способ получения кварцевой керамики, включающий изготовление шликера из боя кварцевого стекла, формирование сырой заготовки методом отлива в гипсовые формы, пропитку сырой заготовки жидким пропитывающим раствором, сушку пропитанной заготовки кварцевой керамики и последующую термообработку, отличающийся тем, что пропитывающий раствор содержит смесь Al(NO3)3, тетраэтоксисилана, этанола и воды, при этом молярное соотношение компонентов обеспечивает в пропитывающем растворе рН≥4, а термообработку пропитанной заготовки кварцевой керамики осуществляют при температуре 950-1200°C.1. A method of producing quartz ceramics, including the production of a slurry from a battle of quartz glass, the formation of a crude billet by casting into gypsum molds, the impregnation of a raw billet with a liquid impregnating solution, drying of the impregnated quartz ceramic billet and subsequent heat treatment, characterized in that the impregnating solution contains an Al mixture ( NO 3) 3, tetraethoxysilane, ethanol and water, wherein the molar ratio of the components provides a rN≥4 impregnating solution, and heat treatment prepreg quartz Ceram ki is carried out at a temperature of 950-1200 ° C. 2. Способ по п.1, в котором пропитывающий раствор имеет продолжительность гелеобразования от 10 минут до 6 часов. 2. The method according to claim 1, in which the impregnating solution has a gelation time of from 10 minutes to 6 hours.
RU2013130201/03A 2013-07-01 2013-07-01 Method of obtaining quartz ceramics RU2525892C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013130201/03A RU2525892C1 (en) 2013-07-01 2013-07-01 Method of obtaining quartz ceramics

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013130201/03A RU2525892C1 (en) 2013-07-01 2013-07-01 Method of obtaining quartz ceramics

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2525892C1 true RU2525892C1 (en) 2014-08-20

Family

ID=51384659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013130201/03A RU2525892C1 (en) 2013-07-01 2013-07-01 Method of obtaining quartz ceramics

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2525892C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2640326C1 (en) * 2016-10-31 2017-12-27 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Method of producing quartz ceramics and articles thereof
RU2650970C1 (en) * 2017-05-04 2018-04-20 Акционерное общество "Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НПО ГОИ им. С.И. Вавилова") Method of quartz ceramics production
CN112500188A (en) * 2020-12-21 2021-03-16 南京工业大学东海先进硅基材料研究院 Preparation method of porous quartz ceramic filter material
CN113896516A (en) * 2021-11-08 2022-01-07 连云港太阳光石英陶瓷有限公司 A kind of preparation method of quartz ceramic roller
RU2815703C1 (en) * 2023-02-14 2024-03-20 Акционерное общество "Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НПО ГОИ им. С.И. Вавилова) Method for producing quartz ceramics

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2267470C1 (en) * 2004-04-02 2006-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Method for treatment of articles made of quartz ceramic
RU2345971C1 (en) * 2007-06-04 2009-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Method of making composite material based on sintered silicon dioxide
RU2345970C1 (en) * 2007-06-04 2009-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Method of making cover of antenna cap from quartz ceramic
RU2458022C1 (en) * 2011-02-09 2012-08-10 Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (ОАО "ОНПП "Технология") High-temperature strength nanomodified quartz ceramic

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2267470C1 (en) * 2004-04-02 2006-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Method for treatment of articles made of quartz ceramic
RU2345971C1 (en) * 2007-06-04 2009-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Method of making composite material based on sintered silicon dioxide
RU2345970C1 (en) * 2007-06-04 2009-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Method of making cover of antenna cap from quartz ceramic
RU2458022C1 (en) * 2011-02-09 2012-08-10 Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (ОАО "ОНПП "Технология") High-temperature strength nanomodified quartz ceramic

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2640326C1 (en) * 2016-10-31 2017-12-27 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Method of producing quartz ceramics and articles thereof
RU2650970C1 (en) * 2017-05-04 2018-04-20 Акционерное общество "Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НПО ГОИ им. С.И. Вавилова") Method of quartz ceramics production
CN112500188A (en) * 2020-12-21 2021-03-16 南京工业大学东海先进硅基材料研究院 Preparation method of porous quartz ceramic filter material
CN113896516A (en) * 2021-11-08 2022-01-07 连云港太阳光石英陶瓷有限公司 A kind of preparation method of quartz ceramic roller
CN113896516B (en) * 2021-11-08 2022-07-29 连云港太阳光石英陶瓷有限公司 A kind of preparation method of quartz ceramic roller
RU2815703C1 (en) * 2023-02-14 2024-03-20 Акционерное общество "Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НПО ГОИ им. С.И. Вавилова) Method for producing quartz ceramics

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2662488C1 (en) Method of manufacture of ceramic material of high density with use of hexagonal boron nitride
Abyzov Lightweight refractory concrete based on aluminum-magnesium-phosphate binder
RU2525892C1 (en) Method of obtaining quartz ceramics
JP2010508231A (en) Compound for manufacturing heat-resistant materials
Duan et al. Mechanical and dielectric properties of gelcasted Si3N4 porous ceramic using CaHPO4 as an additive
KR101152628B1 (en) SiC/C composite powders and a high purity and high strength reaction bonded SiC using the same
Cho et al. Preparation of a ceramic core with high strength using an inorganic precursor and the gel-casting method
JP2625226B2 (en) Manufacturing method of microwave device
JP6873427B2 (en) Manufacturing method of porous ceramics
RU2815703C1 (en) Method for producing quartz ceramics
KR20180017400A (en) Method for preparing casting mold with high strength using ternary inorganic binder
RU2539088C1 (en) Method of obtaining non-calcinated quartz ceramics for glass manufacturing
KR101315631B1 (en) Method for preparing heat-resistant ceramic by lithium solution penetration
Ganesh et al. Phosphoric acid treated AlN powder for aqueous processing of net-shape dense AlN and β-SiAlON parts
JP2022063147A (en) Method for producing ceramic molded body
JP4617190B2 (en) Refractory manufacturing method
Samuel et al. Geopolymers made using organic bases. Part III: Cast magnesium, yttrium, and zinc aluminosilicate and silicate ceramics
JP5067781B2 (en) Manufacturing method of inorganic material molded body by binderless molding utilizing hydration reaction and molded body thereof
RU2847714C1 (en) Method for obtaining a ceramic material based on mullite
JPH1160330A (en) Production of fused silica-based refractory
Li et al. Effect of AlF3 Content on the Properties of In-situ Generated Mullite Whisker Reinforced High Aluminum Castables
KR20140017065A (en) Manufacturing method of the lightweight ceramic ware with lengthened surface
RU2602261C1 (en) Heat resistant coating for fecral alloys of electric heaters
JP2023057657A (en) Inorganic molding and manufacturing method thereof
RU2640326C1 (en) Method of producing quartz ceramics and articles thereof