Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения керамики на основе оксинитрида алюминия

Изобретение относится к получению керамики на основе тугоплавких соединений, в частности к способам получения керамики на основе оксинитрида алюминия, которая может быть использована для изготовления режущего инструмента, огнеупоров и материалов в металлургической промышленности, инфракрасных и видимых окон, а также для прозрачной брони.

Известен способ получения керамики на основе оксинитрида алюминия путем карботермического процесса нитридизации и последующего обжига сформованного образца в среде азота (US29789781A). В этом способе порошок оксида алюминия обычно смешивают с углеродом (сажей), и эту смесь затем нагревают в реакторе в атмосфере азота при температурах 1650-1850°С. Реакция обычно проходит в два этапа. Первым шагом является реакция между частью оксида алюминия, углерода и азота с образование нитрида алюминия и оксида углерода. Реакция происходит при 1650-1750°С. Вновь сформированный нитрид алюминия затем вступает в реакцию с оставшимся оксидом алюминия при температуре 1750-1850°С с образованием порошка оксинитрида алюминия. Затем готовят шихту, состоящую из синтезированного оксинитрида алюминия и добавки, содержащей один или несколько элементов из группы иттрия и лантана или их соединения. Далее формуют заготовку, которую обжигают в среде азота при температуре выше 1900°С, но ниже температуры плавления оксинитрида алюминия, которая составляет приблизительно 2140°С.

Недостатком данного способа является сложность контроля стехиометрии конечного продукта из-за карботермического процесса нитридизации. В порошках оксинитрида, полученных таким способом, часто содержится небольшое количество свободного углерода. Содержание углерода в качестве примеси отрицательно сказывается на механических, и особенно, оптических свойствах керамики на основе оксинитрида. Также получение керамики происходит в 2 стадии. При этом обжиг проводят при температурах выше 1900°С.

Известен способ получения керамики оксинитрида алюминия (US 4241000 А). По этому способу порошок оксида алюминия смешивают с порошком нитрида алюминия. Затем формуют сырец изостатическим прессованием. Проводят предварительную термообработку сырца в среде азота. Затем обжигают сырец в засыпке нитрида бора при температуре 2000°С в среде азота в течении часа.

К недостаткам этого способа относится то, что процесс получения изделия производится в 2 стадии, долгое время выдержки при термообработке - 24 часа, и высокая температура обжига 2000°С.

Известен способ получения плотной керамики AlON путем синтеза в процессе горения смеси Al-Al₂O₃ под высоким давлением газообразного азота (Т. G. Akopdzhanyan and I. P. Borovinskay. Dense AlON Ceramic by SHS under Nitrogen Gas Pressure // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 2019, Vol.28, No. 3, pp.193-195. © Allerton Press, Inc., 2019). Рассчитанные количества порошков Al и Al₂O₃ (ориентированные на приготовление AlON, содержащий 36% AlN), смешивали в шаровой мельнице 4 ч. Отформованный образец (40 г) помещали в бумажный картридж (диаметр 30 мм, длина 70 мм), окруженный слоем бора толщиной 15 мм, который играл роль химической печи, и воспламеняли сверху через бустер Ti-B. Керамические образцы, полученные при давлении азота 20 МПа, имели плотность 3,2 г/см³ (86% от теоретический). Образцы, полученные при давлении азота 40 и 60 МПа, имели одинаковую плотность 89%.

Основным недостатком данного способа является получение образцов с низкой плотностью, что может негативно влиять на механические свойства.

Известен способ получения поликристаллического оксинитрида алюминия, обладающего улучшенной прозрачностью (RU2013141975A). Способ получения поликристаллического оксинитрида алюминия (AlON), в котором смесь порошков оксида алюминия (Al₂O₃) и нитрида алюминия (AlN) спекают при атмосферном давлении, включает: осуществление первого спекания при температуре от 1575°С до 1675°С так, что относительная плотность равна или превышает 95%, и содержание чистого AlN находится в диапазоне от 17 до 26 мол.%; и осуществление второго спекания при температуре от 1900°С до 2050°С так, что получают относительную плотность, превышающую относительную плотность, полученную при первом спекании.

Недостатком данного способа является высокая температура второго спекания, которая будет приводить к активному испарению шихты.

Наиболее близким является способ синтеза порошка оксинитрида алюминия (AlON) и получение керамики из него (A.S. Lysenkov, LA. Timoshkin, Yu.F. Kargin, D.D. Titov, A.Yu. Fedotov, A.A. Ashmarin and A.E. Baranchikov. Synthesis of Aluminum Oxynitride (AlON) and Study of the Properties of Ceramics Based on It // Inorganic Materials: Applied Research, 2016, Vol. 7, No. 4, pp. 517-519). Способ заключается в смешении порошков алюминия и гидроксида алюминия в рассчитанных пропорциях в планетарной мельнице и последующем синтезе при температуре 1850°С в течении 15 минут в среде азота. После синтеза, порошок оксинитрида алюминия измельчали в планетарной мельнице и обжигали методом горячего прессования при температуре 1650°С с выдержкой 1 час при максимальной температуре в среде азота.

Недостатками способа является низкий уровень механических свойств.

Задачей настоящего изобретения является получение керамики на основе оксинитрида алюминия, которая может быть использована для изготовления режущего инструмента, огнеупоров и материалов в металлургической промышленности, инфракрасных и видимых окон, а также для прозрачной брони.

Технический результат заключается в получении керамики на основе оксинитрида алюминия в одну технологическую стадию, объединяющую синтез фазы оксинитрида алюминия и получение плотной керамики, обладающей высоким уровнем механических и физико-химических свойств.

Технический результат достигается тем, что согласно способу получения керамики на основе оксинитрида алюминия, смешение в среде изопропилового спирта исходных компонентов в виде порошков нитрида алюминия и гидроксида алюминия, сушка порошков, гомогенизация порошков, размещение порошков в графитовом тигле, синтез фазы оксинитрида алюминия в атмосфере азота при температуре 1850°С без приложения давления с выдержкой 15 мин, получение керамики методом горячего прессования, отличающийся тем, что горячее прессование осуществляется при температуре 1850°С с выдержкой 30 минут и давлении 30 МПа.

Выдержка в течение 15 минут при температуре 1850°С без приложения давления позволяет реализовать синтез фазы оксинитрида алюминия внутри графитовой пресс-формы, а последующее приложение давления и выдержка 30 минут при той же температуре способствует дальнейшему уплотнению методом горячего прессования позволяет получить плотную однофазную керамику в одну технологическую стадию.

Отличие от прототипа состоит в том, что получение керамики на основе оксинитрида алюминия осуществляется в течение одной технологической стадии, объединяющей синтез фазы оксинитрида алюминия и его дальнейшее уплотнение методом горячего прессования. Протекание процесса в одну стадию позволяет существенно упростить технологию и получить плотную керамику на основе оксинитрида алюминия, минуя дополнительные стадии подготовки порошка. Кроме того, увеличение температуры процесса до 1850°С позволяет сократить время процесса получения керамики.

Изобретение относится к получению изделий из тугоплавких соединений, в частности к способам получения керамики на основе оксинитрида алюминия.

Способ получения керамики на основе оксинитрида алюминия, включающий: смешение в среде изопропилового спирта исходных компонентов в виде порошков нитрида алюминия и гидроксида алюминия, сушку порошков, гомогенизацию порошков, размещение порошков в графитовом тигле, синтез фазы оксинитрида алюминия в атмосфере азота при температуре 1850°С без приложения давления с выдержкой 15 мин, получение керамики методом горячего прессования, согласно изобретению, отличается тем, что синтез оксинитрида алюминия и получение плотной керамики осуществляют в одну технологическую стадию методом горячего прессования с выдержкой при максимальной температуре 30 минут.

Керамику на основе оксинитрида алюминия получают следующим образом:

В качестве исходных материалов для синтеза оксинитрида алюминия использовали порошки нитрида алюминия и гидроксида алюминия (ХЧ). Порошок нитрида алюминия был получен методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и имеет состав: N₂ - 32,8 мас. %, кислород - 1,8 мас. %, железо - 0,1 мас. %, удельная поверхность - 5,9 м²/г. Порошки нитрида алюминия и гидроксида алюминия первоначально смешивались в рассчитанных пропорциях в планетарной мельнице в присутствии изопропанола, затем высушивали и протирали через сито 0,063.

Пример 1.

Смесь порошков засыпали в графитовую пресс-форму, смазанную нитридом бора. Пресс-форму помещали в камеру пресса горячего прессования. Камеру вакуумировали и заполняли азотом. Затем осуществляли подъем температуры до 1850°С без приложения давления со скоростью 15°С/мин и выдерживали 15 мин. Затем прикладывали удельное давление 30 МПа для осуществления процесса уплотнения, синтезированного оксинитрида алюминия, методом горячего прессования.

Выдержка при горячем прессовании составляла 30 минут. Затем печь охлаждали до комнатной температуры со скорость 10°С/мин.

Полученный керамический материал обладает следующими характеристиками: относительная плотность составляет 99%, прочность при изгибе 255 МПа, микротвердость по Виккерсу 19,9 ГПа.