Стеклокерамический материал

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Павленко Александр Петрович Богомолова Валентина Михайловна Яблонский Эдуард Витальевич Левин Игорь Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) Стеклокерамический материал на основе стекла и корундовой керамики для спаивания с металлами и керамикой и для изделий электротехнического назначения, отличающийся тем, что получен из шихты, содержащей 40-75 мас.стекла в виде стеклопорошка из боя стеклотары, причем доля окрашенной стеклотары не превышает 5 мас. , или отходов производства тарного стекла следующего состава, мас.2 70-73 23 1,0-2,5 СаО 7-10 2,5-4,0 22 13-16 23 0,165,10-20 мас.стекла с меньшим коэффициентом термического линейного расширения, в частности С 52-1, и 5-50 мас.керамического наполнителя в виде глинозема -модификации. Изобретение относится к технологии производства керамических материалов, в частности стеклокерамических композиционных материалов на основе стекла и керамики, и может быть использовано при изготовлении изделий для электронной техники, электротехнической, строительной и легкой промышленности. Стеклокерамические композиционные материалы, полученные на основе стекла и керамического наполнителя, являются возможной заменой традиционных электротехнических материалов, в частности электротехнического фарфора в изделиях, применяемых в низковольтной аппаратуре. Они обладают высокими диэлектрическими свойствами, достаточной механической прочностью, более технологичны и дешевы. 11042 1 2008.08.30 Известны составы стеклокерамических материалов на основе электровакуумных стекол, содержащие в качестве керамического наполнителя корундовые материалы, форстеритовую керамику, предназначенные для спаев с металлами с низким коэффициентом термического расширения ТКЛР 1. Они имеют высокие диэлектрические свойства, достаточно прочны. Такие материалы используются в больших количествах в производстве металлостеклянных корпусов интегральных схем и полупроводниковых приборов, различного типа гермовводах. Недостатком указанных композиций является их дороговизна вследствие использования стекол специального изготовления, а также склонность этих стекол к кристаллизации. Известен состав стеклокерамических материалов электротехнического назначения для ламп 2. Он содержит 10-30 оксида алюминия и 70-90 стекла следующего состава 2 - 65-68, А 2 О 3 - 0,8-1,2, СаО - 6,1-6,5,- 4,2-5,1, ВаО - 1,3-1,5, 2 - 16,216,7, К 2 О - 1,1-1,3, е 2 О 3 - 0,8-1,1, 2 О 3 - 1,5-1,6. Стеклокерамика имеет высокую механическую прочность. Недостатками этого стеклокерамического материала являются использование в нем специально сваренного стекла, что приводит к его удорожанию, и слишком низкая температура спекания стеклокомпозиции, ограничивающая температурную область его использования. Известен состав стеклокерамических материалов для электронной, машиностроительной промышленности 3. Он содержит 40-60 оксида алюминия и 40-60 стекла следующего состава 2 46,2-55,2 А 2 О 3 30,0-41,412,4-14,8. Полученная стеклокерамика обладает высокой термостойкостью и трещиностойкостью. Основным ее недостатком является высокая стоимость вследствие использования в ней специально сваренного стекла. С целью удешевления материалов, разработаны составы стеклокомпозиций на основе порошков, полученных из отходов и вторичного сырья различных стекол - оконного, тарного, лампового, кинескопного, медицинского. В РБ имеются в достаточном количестве отходы производства тарного и оконного стекол, хотя большая их часть используется повторно в производстве. Из вторичного сырья в наибольших количествах имеется бой тарного пищевого стекла. Сбор стеклотары, боя лампового и медицинского стекол, организован недостаточно. Известны составы стеклокомпозиций на основе стеклопорошков из боя и отходов тарного стекла и корунда 4, 5, содержащие 40-75 стекла и 25-60 процентов керамического наполнителя. Они обладают хорошими технологическими и эксплутационными свойствами. Наиболее близким по технической сущности является стеклокерамический материал 5,содержащий 50-75 мас.корунда и 25-50 мас.стекла, представляющего собой стеклопорошок, изготовленный измельчением боя пищевых тарных стекол или стеклоотходов. Однако этот состав не может быть использован для получения спаев стеклокерамики с металлами и керамикой, что ограничивает область ее применения, а также имеет недостаточно высокую механическую прочность и трещиностойкость. Опробование стеклокерамики данного состава в изделиях электротехнического назначения показало низкий выход годных изделий, вследствие растрескивания материала при термообработке. Задачей заявляемого изобретения является разработка стеклокерамики, которая может быть использована для спаивания с металлами и керамикой, а также для изделий электротехнического назначения, имеющей ТКЛР порядка 75-8510-7 К-1, обладающей достаточно высокой механической прочностью, хорошими диэлектрическими свойствами. Кроме того, заявляемая стеклокерамика предполагает низкую стоимость. Поставленная задача решается за счет 1. Использования в качестве стекловидной матрицы отходов стекла 2. Увеличения содержания стекла в стеклокерамике до 95 мас.3. Введения в состав композиции стекла с более низким ТКЛР, что способствует снижению ТКЛР и внутренних напряжений в стеклокерамике. 2 11042 1 2008.08.30 С целью реализации возможности использования стеклокерамики для спаивания с металлами и керамикой и в электротехнических изделиях, повышения механической прочности изделий предлагается состав стеклокерамики на основе стекла и корундовой керамики, содержащей 40-75 мас.стекла в виде стеклопорошка из боя стеклотары, причем доля окрашенной стеклотары не превышает 5 мас. , или отходов производства тарного стекла следующего состава, мас.2 70-73 А 2 О 3 1,0-2,5 СаО 7-10 2,5-4,0 22 13-16 23 0,165,10-20 мас.стекла с меньшим коэффициентом термического линейного расширения, в частности, С 52-1, и 5-50 мас.керамического наполнителя в виде глинозема -модификации. Использование смеси стекол позволяет достигнуть повышения прочности и трещиностойкости стеклокерамики, ее спаев с металлами и керамикой и, в итоге, надежности изделий из нее. Использование боя тарного стекла или ему подобных по химическому составу отходов в качестве стеклофазы, позволяет решать проблему использования вторичных ресурсов,делает доступным исходное сырье, снижает себестоимость стеклокерамических изделий. Заявляемый стеклокерамический материал и изделия из него получают следующим образом. Исходное стекло (в виде боя стеклотары или отходов производства тары) измельчают в фарфоровых барабанах уралитовыми шарами до удельной поверхности уд.500-600 м 2/кг. На окончательной стадии помола к порошку стекла добавляют порошок наполнителя, порошок стекла с меньшим ТКЛР, и все перемешивают в течение одного часа. Из порошков композиции в шликерной мешалке приготавливают термопластичные шликеры со связкой, состоящей из 90 мас.парафина и 10 мас.воска. Расчетное содержание связки в шликерах 13-14 мас. . Формование изделий из шликеров производят на машине литья керамики. Режим литья подбирается для каждого изделия индивидуально. Выжигание связки проводится в электрической печи в никелевых лодочках в засыпке техническим глиноземом. Скорость подъема температуры до 650 С - 5 С/мин. Спекание проводится в электрических печах в окислительной атмосфере в засыпке техническим глиноземом при температуре 950-1000 С в зависимости от состава материала. По указанной технологической схеме получаются стеклокерамические материалы с плотной, гетерогенной структурой плотностью 2,55-2,65 г/см 3 , термическим коэффициентом температурного расширения (75-85)10-7 К-1 и пределом прочности на изгиб 90-120 МПа. Заявляемое техническое решение иллюстрируется примерами. Пример 1. Бой стеклотары или отходов производства тары измельчают в фарфоровых барабанах уралитовыми шарами до удельной поверхности уд.500-600 м 2/кг. На окончательной стадии помола к порошку стекла добавляют порошок наполнителя и порошок стекла С 52-1,предварительно измельченного до уд.300-400 м 2/кг, при следующем соотношении ингредиентов порошок стеклобоя 70 мас. , порошок наполнителя -10 мас. , порошок стекла С 52-1 - 20 мас. , и все перемешивают в течение одного часа. Из порошков композиции в шликерной мешалке приготавливают термопластичные шликеры со связкой, состоящей из 90 мас.парафина и 10 мас.воска. Расчетное содержание связки в шликерах 14 мас. . Формование изделий из шликеров производят на машине литья керамики. Режим литья подбирается для каждого изделия индивидуально. Выжигание связки проводится в электрической печи в никелевых лодочках в засыпке техническим глиноземом. Скорость подъема температуры до 650 С - 5 С/мин. Спекание 3 11042 1 2008.08.30 проводится в электрических печах в окислительной атмосфере в засыпке техническим глиноземом при температуре 970 С в течение 1 часа. Получаются стеклокерамические материалы с плотной, гетерогенной структурой плотностью 2,55 г/см 3, термическим коэффициентом линейного расширения 7710-7 К-1 и пределом прочности на изгиб 98 МПа. Состав предназначен для спаивания с металлами и керамикой. Пример 2. Бой стеклотары или отходов производства тары измельчают в фарфоровых барабанах уралитовыми шарами до удельной поверхности уд.500-600 м 2/кг. На окончательной стадии помола к порошку стекла добавляют порошок наполнителя и порошок стекла С 52-1,предварительно измельченного до уд.300-400 м 2/кг, при следующем соотношении ингредиентов порошок стеклобоя 60 мас. , порошок наполнителя - 30 мас. , порошок стекла С 52-1 - 10 мас. , и все перемешивают в течение одного часа. Из порошков композиции в шликерной мешалке приготавливают термопластичные шликеры со связкой, состоящей из 90 мас.парафина и 10 мас.воска. Расчетное содержание связки в шликерах 13 мас. . Формование изделий из шликеров производят на машине литья керамики. Режим литья подбирается для каждого изделия индивидуально. Выжигание связки проводится в электрической печи в никелевых лодочках в засыпке техническим глиноземом. Скорость подъема температуры до 650 С - 5 С/мин. Спекание проводится в электрических печах в окислительной атмосфере в засыпке техническим глиноземом при температуре 970 С в течение 1 часа. Получаются стеклокерамические материалы с плотной, гетерогенной структурой плотностью 2,65 г/см 3, термическим коэффициентом температурного расширения 7610-7 К-1 и пределом прочности на изгиб 100 МПа. Состав предназначен для изделий электротехнического назначения. Составы и некоторые свойства стеклокерамики, полученной по оптимальным режимам спекания ТермичеСодержание компонентов, мас.Предел ский коэфпрочТемпефициент ВодоПлот- ности ратура линейного поглоность на спекаСтекло Стекло Глинорасширещение ния 11042 1 2008.08.30 Источники информации 1. Павленко А.П., Рябиков В.Т., Русак В.И. Исследование механической прочности стеклокерамики на основе стекла С 52-1. В республиканском межведомственном сборнике Приборостроение. - Вып. 9. - Мн., 1987. - С. 76-80. 2. А.с СССР 1599347, МПК С 04 В 35/10, 1990. 3. А.с СССР 1571035, МПК С 04 В 35/10, 1990. 4. Патент России 2142437, МПК С 03 С 010/06, С 04 И 035/10. 5. Патент России 2128153, МПК С 04 И 035/18, С 03 С 010/00, 1999. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5