Алюмооксидная керамика с повышенной вязкостью разрушения

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Судник Лариса Владимировна Степкин Михаил Олегович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Алюмооксидная керамика с повышенной вязкостью разрушения, полученная путем гомогенизации шихты, содержащей матричный оксид алюминия и 5-20 мас.ультрадисперсных частиц гидроксида алюминия, формования и спекания. Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению материалов с повышенной ударной вязкостью, и может использоваться для изготовления деталей машин и конструкций, работающих в условиях ударных нагрузок, а также в качестве защитных и броневых материалов. Известно, что композиционные керамические материалы имеют повышенную стойкость к распространению трещин, в том числе в условиях динамического разрушения, по сравнению с поликристаллическими материалами 1, 2. Известны способы изготовления керамики с повышенной вязкостью разрушения, достигаемой путем введения в матричный материал диспергированных частиц диоксида циркония 3, 4. Но данные способы являются нетехнологичными, дорогостоящими и малопригодными для массового производства из-за сложностей получения порошка диоксида циркония,его стабилизации и последующего введения в состав матричного материала. Структура материала негомогенна, свойства нестабильны. Известны также способы улучшения эксплуатационных параметров алюмооксидной керамики путем формирования твердых растворов на ее основе. При этом для улучшения синтеза основным технологическим приемом является технология пропитки. Однако эти материалы, обладая высокой твердостью, имеют малую ударную вязкость. Способ получения материалов является малопроизводительным и дорогостоящим 5, 6. 13613 1 2010.10.30 Известен способ получения алюмооксидной керамики, упрочненной короткими волокнами 7. Но данный материал имеет низкую прочность при приложении ударной нагрузки вдоль волокон, а сами волокна при этом играют роль концентраторов напряжений, а равномерное распределение волокон в материале представляет значительную трудность. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является керамика на основе 23, содержащая до 50 нитридов, карбонитридов титана, циркония или их твердых растворов 0,1-5 нитрида алюминия 8. Известный материал имеет недостатки, поскольку его изготовление с использованием плавиковой кислоты, частиц нитридов, карбонитридов, нитрида алюминия предполагает сложный процесс их синтеза, сами частицы являются концентраторами напряжений, температура спекания материала превышает 1700 С. Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в достижении высокой стойкости материала к ударным нагрузкам, упрощении технологии, снижении технологических температур при изготовлении материала и изделий из него. Поставленная задача решается введением в алюмооксидную основу 5-20 мас.ультрадисперсных частиц гидроксида алюминия. Перед формованием матричные зерна оксида алюминия смешивают с водной суспензией гидроксида алюминия, в частности используется побочный продукт получения водорода по алюмоводородной технологии(гидротермальный синтез в автоклаве). Затем осуществляют сушку при температуре 6080 С. При этом достигается равномерное распределение частиц гидроксида между матричными зернами, благодаря развитой структуре частиц гидроксида, что улучшает формуемость материала, способствует созданию гомогенной структуры и облегченным условиям спекания. Технология получения материала состояла в следующем. В суспензию гидроксидов вводят порционно матричные зерна оксида алюминия, производят каждый раз тщательное перемешивание для гомогенизации состава, а затем производят сушку смеси. После сушки при температуре 60-80 С полученные порошки используют для реализации материала в виде изделий. Порошки можно использовать для изготовления изделий как непосредственно после получения, так и после хранения. Формование изделий осуществляется любым известным методом. Использование гидроксидов и оксидов одного и того же элемента алюминия - исключает, присутствие вредных примесей. Изделия изготавливали следующим образом подготовленные описанным выше способом порошки подвергали формованию методом полусухого статического прессования при давлении 1 т/см 2. Отформованные изделия извлекали из пресс-формы и помещали в печь, где производили спекание при температуре на 100-140 С ниже, чем спекается обычно материал из алюмооксидной керамики, т.е. при 1500-1550 С. Время выдержки при максимальной температуре 1 час. Длительность стадии спекания 7,5 часа. По описанной технологии изготовлены керамические плитки размером 50505 мм и 505010 мм, которые могут использоваться в конструкциях устройств, подвергающихся ударным и импульсным нагрузкам. Комкуемость массы определяли по количеству окатышей, появляющихся при хранении массы в затаренном состоянии в течении трех месяцев. Коэффициент вязкости разрушения - микродюрометрическим методом, стойкость при ударном нагружении - при динамическом сжимающем нагружении со скоростью 800-1000 м/с, плотность гидростатическим взвешиванием. Свойства материала, получаемого по заявляемому способу, представлены в таблице. Анализ таблицы показывает, что введение в исходный матричный порошок оксида алюминия суспензии гидроксида алюминия приводит к активации, что позволяет снизить температуру спекания в среднем на 120 С, а также к модификации свойств. Коэффициент вязкости разрушения 5,6-5,8 МПам-1/2, что позволяет получить материал, стойкий к ударным нагрузкам. 2 13613 1 2010.10.30 Свойства материала, полученного по заявляемому способу Состав материала Оксид алюминиягидрооксид алюминия (5 вес. ) Оксид алюминия 5 вес.гидроксида алюминия Оксид алюминия 18 вес.гидроксида алюминия Оксид алюминия 20 вес.гидроксида алюминия Оксид алюминиягидроксид алюминия (20 вес. ) Свойства Наличие разрушеКоэффициент Плотния при ударной Комкуеность,вязкости мость,3 нагрузке со скорог/см разрушения,стью 800-1000 м/с Достигаются дополнительные технические эффекты лучшая формуемость сокращение продолжительности спекания гомогенность структуры и свойств материала. Дополнительный экономический эффект достигается за счет снижения удельного веса материала и реализации структуры с равномерно расположенными частицами бемита, что обеспечивает стойкость к удельным нагрузкам вне зависимости от направления нагружения. Источники информации 1. Керамические волокнистые композиционные материалы на основе матриц из жаростойкой поликристаллической керамики./,.// .. . . 1., 1989. - С. 117-142. - Англ. 2. Динамическое разрушение керамики и керамических композиционных материалов././/.- 1991-1431-2. - . 111-117. - Англ. 3. Заявка Японии 60-16388, МПК 04 35/58, 1980. 4. Заявка Японии 60-16390, МПК 04 35/58, 1985. 5.а.с. СССР 1220262, МПК 04 35/624, 1984. 6.а.с. СССР 1669864, МПК 04 35/624, 1989. 7. Соков В.Н. Теоретические и технологические принципы создания легковесных огнеупоров, армированных тонкодисперсными огнеупорными волокнами // Огнеупоры. -4. С. 7-13, 1995. 8. Патент 62618 по заявке Японии 60-26066, МПК 04 35/10, 1985 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3