Способ получения изделий из керамического материала с повышенными диэлектрическими свойствами

(51)04 35/10, 41/50 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА С ПОВЫШЕННЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Судник Лариса Владимировна Жук Елена Владимировна Сосно Светлана Борисовна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Способ получения изделий из керамического материала с повышенными диэлектрическими свойствами, включающий формование заготовки из порошка оксида алюминия и спекание, отличающийся тем, что перед формованием на зерна исходного порошка по золь-гель методу наносят, по меньшей мере, один слой ультрадисперсных частиц оксида алюминия толщиной 10-100 нм. Изобретение относится к производству изделий из оксидной керамики, используемых в качестве изоляторов, работающих в условиях, требующих кроме высоких диэлектрических свойств высокую плотность и термостойкость. Известно использование мелкозернистой реакционноспособной окиси алюминия для изготовления фильтров, но такой материал заведомо содержит поры, обеспечивая функциональность как фильтрующий материал, но не обеспечивая электроизолирующие и прочностные свойства 1. Известен также способ получения высокоплотной керамики Лидар 2, при котором спрессованное изделие пропитывают в растворе МоС 2 и спекают при 1450 С, но изделие из этого материала не обладает требуемыми для изоляторов свойствами как по диэлектрическим свойствам, так и по термостойкости из-за наличия включений молибдена. Наиболее близким по достигаемому результату является способ получения изделий высокой, свыше 95 плотности из субмикронных порошков оксидов металлов циркония,алюминия, титана и т.д., получаемых из алкоголятов гидрооксидов этих металлов по методу, разработанному фирмой, США 3, включающему синтез из растворов соответствующих солей, сушку, кальцинирование, прессование и спекание. Согласно методу получения, субмикронный порошок всегда будет содержать включения кальция,кремния и ряд других элементов. Кроме того, при производстве изделий из известных порошков не удается получить гомогенную плотность по объему из-за высокой активности исходных порошков и склонности к агломерации. Известно, что добавки и нерегламенти 8618 1 2006.10.30 руемые включения ухудшают свойства изделий из этих порошков, например присутствие каждого процента оксида кремния снижает абсолютную плотность материала на 0,018 г/см 3,одновременно ухудшая термостойкость и диэлектрические свойства. Потенциальные свойства наилучшего из известных диэлектрика-оксида алюминия нереализованы. Задача изобретения - создание материала высокой плотности, свободного от примесей, обладающего высокими изолирующими свойствами и термостойкостью. Поставленная задача решается тем, что в способе получения изделий из керамического материала с повышенными диэлектрическими свойствами, включающем формование заготовки из порошка оксида алюминия и спекание, перед формованием на зерна исходного порошка по золь-гель методу наносится один или несколько слоев ультрадисперсных частиц оксида алюминия толщиной 10-100 нм. При этом в материал не вносятся чужеродные добавки, а адсорбированный слой ультрадисперсных частиц на зернах играет роль смазки, позволяющей беспрепятственно одному зерну скользить по другому, создавая плотноупакованные структуры, склонные к облегченному спеканию. При нанесении слоя ультрадисперсных частиц оксида алюминия меньше 10 нм не контролируется толщина наносимого слоя частиц и не гарантируется гомогенность этого слоя по зерну корунда. При толщине более 100 нм слой отшелушивается и снижается коэффициент вязкости разрушения. Дополнительный эффект, достигаемый предполагаемым изобретением улучшение формуемости, снижение технологических температур, что приводит к сокращению временного интервала технологического цикла. Технический результат - увеличение диэлектрических свойств, повышение прочностных характеристик и снижение технологических температур. Технология получения материала состояла в золь-гельной обработке исходного порошка корунда в бемитном золь-геле, который после термической деструкции приводит к образованию слоя нанодисперсных частиц на зернах корунда. Применение золь-гель технологии обусловлено простотой метода и применяемого оборудования (требуется лишь ванна для ультразвуковой обработки смеси бемитный золь-гель - зерна корунда). Кроме того, метод обеспечивает полное отсутствие вредных примесей, гомогенную структуру и возможность регулирования размерами наносимых ультрадисперсных порошков. Температура сушки после золь-гельной обработки 200 С - для удаления внешнесферных молекул воды. Для получения порошков требуемой модификации оксида алюминия следует производить термообработку в соответствии с существующей зависимостью между кристаллической структурой оксида алюминия, температурой обработки и дисперсностью, и происходит по схеме Бемит 232 - 23 - 23 - 23 (или 23) - 23. После сушки порошки можно использовать непосредственно для изготовления изделий, а также после хранения. Сущность изобретения поясняется примером. Пример. Изделия в виде изоляторов изготавливали следующим образом подготовленные описанным выше способом порошки подвергали формованию методом литья под давлением или полусухим статическим прессованием. Для изготовления одного изолятора требуется 18 г порошка. Статическое прессование осуществляется при давлении 675 кг/см 2 и применяется временное связующее - поливиниловый спирт - 14 мас. , остальное порошок с покрытием. При литье под давлением литьевая масса содержит 14 парафиновой связки и 1,5 воска. Литье осуществляется при давлении 100 кг/см 2, температурой нагрева литьевой массы 70 С. Литье осуществляется в нагретую форму. Отформованные изделия извлекали из пресс-формы и помещали в печь, где производили сушку изделий при температуре 80 С при статическом прессовании или выжигание связки при литье под давлением при температуре 1000-1100 С в течение 2 ч при максимальной температуре (длительность всего процесса 16 ч). Окончательное спекание производится при температуре на 200-250 С меньшей, чем для материала без нанослоев. Например, для алюминия 14002 8618 1 2006.10.30 1450 С. Время выдержки при максимальной температуре 1,5 ч. Длительность стадии окончательного спекания 8 ч. По описанным выше технологиям сформированы сложнопрофильные изоляторы поджига дуги для установок катодно-дугового напыления. Комкуемость массы определяли по количеству окатышей, появляющихся при хранении массы в затаренном состоянии в течение трех месяцев. Коэффициент вязкости разрушения микродиорометрическим методом, плотность гидростатическим методом, диэлектрические свойства определяли по тангенсу угла диэлектрических потерь 104 и электрической прочности. Свойства материала с покрытием представлены в таблице. Анализ таблицы показывает положительную роль слоя золь-гельных ультрадисперсных частиц на зернах оксида алюминия, играющих роль как активатора, т.е. способствующих снижению температуры спекания, так и стабилизатора, т.е. увеличивающих диэлектрические свойства. Наличие ультрадисперсных частиц на поверхности исходных зерен позволяет снизить температуру спекания в среднем на 200 С, обеспечить высокую плотность, равную 3,9 г/см 3, изготовить материал без вредных примесей, что в свою очередь обеспечивает высокие диэлектрические свойства 104 не выше 3, электрическую прочность не ниже 18,5 кВ/мм, коэффициент вязкости разрушения, равный 5,5 МПасм-1/2. Перечисленные характеристики увеличивают теплостойкость изоляторов и приводят к увеличению производительности установок, использующих изоляторы из разрабатываемого материала в 1,37 раза. Теплостойкость(количество рабо- Материал чих циклов напыления) Свойства ЭлекХарактеКоэффитричеТемпераристика КомкуПлотциент ская тура спематериала емость,вязкости ность, 104 прочкания,(добавки) оксид алюминия (корунд) без обработки оксид алю- ультраминия,дисперсподвергну- ные зерна тый обра-100 нм ботке для нанесения слоя ультзерна радисперс-100 нм ных порошков прототип Источники информации 1. ЕПВ 107345, МПК 701 39/20, 1984. 2. А.с. СССР 1162770, МПК 7 С 04 В 35/10, 1985. 3. ЕПВ 0130480, МПК 701 25/02,01 В 13/36, 1985 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3