КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ С НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ СПЕКАНИЯ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ ТЕТРАГОНАЛЬНОЙ МОДИФИКАЦИИ

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе диоксида циркония. Плотные прочные керамические материалы на основе диоксида циркония тетрагональной модификации обладают высокой стойкостью к воздействию химических и биологической сред, высокими механическими свойствами, что позволяет их использовать в качестве износостойких изделий, различного режущего инструмента, в том числе, медицинских скальпелей, керамических подшипников, а также имплантатов для замещения костных дефектов.

Известен порошковый материал на основе тетрагонального диоксида циркония, стабилизированный 3 мол.% оксида иттрия [A. Ghosh; S. Sabharwal; A.K. Suri; B.T. Rao; Rama T.R. Mohan Synthesis and characterisation of nanocrystalline sinteractive 3Y-TZP powder Advances in Applied Ceramics V. 107, №3 (2008), pp. 170-175], который спекается на низкую температуру 1145 C с относительной плотностью около 95%. Низкая температура достигается благодаря использованию нанодисперсного порошка с высокой площадью удельной поверхности 90-95 м²/г. Недостатком данного материала является низкая плотность материала.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является керамический материал тетрагональной модификации [M. Trunec and K. Maca Compaction and Pressureless Sintering of Zirconia Nanoparticles // J.Am. Ceram. Soc, 90 [9] 2735-2740 (2007)] с температурой спекания около 1100°C и относительной плотностью 99,1%. Низкая температура спекания и достижение относительной плотности 99,1% является следствием использования нанодисперсных порошков с высокой с площадью удельной поверхности 123 м²/г. Недостатком данного материала является использование дорогостоящего оборудования для изостатического уплотнения при прессовании образцов и относительно низкая плотность материала.

Технический результат изобретения заключается в создании материала на основе тетрагональной модификации диоксида циркония, спекающегося до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01%) при низкой температуре 1130-1150°C и характеризующегося высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 350 МПа.

Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе тетрагонального диоксида циркония содержит добавку, способствующую спеканию при следующих соотношениях компонентов в материале, масс. %:

тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3 мол. %) - 95-98 масс. %, и добавка силиката натрия в количестве 2-5 масс. %, полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 350 МПа, равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 100 нм и открытой пористостью не более 0,01%.

Керамический материал указанного состава неизвестен. При спекании добавка (силикат натрия, температура плавления около 1070-1120°C) образует низкотемпературный расплав, что способствует спеканию композиционного материала по жидкофазному механизму. В результате спекание до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01%) становится возможным при низких температурах 1130-1150°C, что позволяет получить высокие механические свойства (прочность при изгибе не менее 350 МПа). При температурах спекания более 1150°C происходит рост кристаллов, что приводит к снижению прочности. При температурах ниже 1130°C падение прочности происходит вследствие увеличения пористости. При использовании добавки менее 2 масс.% материал имеет высокую открытую пористость, что приводит к снижению прочности материала. При использовании добавки более 5 масс. % в материале при спекании образуется большое количество жидкой фазы, которая после охлаждения застывает в виде аморфной непрочной стеклофазы, что приводит к снижению механических свойств керамики.

Пример. Керамику получали из нанодисперсных порошков с удельной поверхностью более 150 м²/г. Высокодисперсные порошки синтезировали методом осаждения водного раствора оксихлорида циркония в водный раствор аммиака с добавлением органического растворимого полимера. Стабилизирующую добавку вводили в виде растворимой соли хлорида иттрия из расчета получения 3 мол. % оксида иттрия по отношению к синтезируемому диоксиду циркония. Прокаливали порошки при температуре 600°C до полного удаления побочных продуктов синтеза. Затем в порошки вводили силикат натрия в количестве 5 масс. %. После прессования порошков, полученные образцы спекали при температуре 1130°C. В результате получали керамический материал, состоящий из 100% тетрагональной фазы. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 80-120 нм, открытой пористостью не более 0,01%, прочностью при изгибе 370 МПа.

Были изготовлены образцы керамики, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом.

Полученные результаты сведены в таблицу.