Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения опорных плит для обжига керамических изделий

Изобретение относится к области огнеупорных материалов и направлено на создание опорных плит (лещадок) для высокотемпературного обжига керамических изделий, таких как посуда, электроизоляторы и т.п.

Высокотемпературный обжиг керамических изделий проводится в купольных печах с газовым или электрическим нагревом. Для размещения изделий внутри печи требуются модульные конструкции (этажерки), изготовленные из материалов, способных выдерживать механические нагрузки при высокой температуре как в восстановительной, так и в окислительной средах.

Основными материалами для этих применений являются шамот, карбид кремния и муллитовая керамика на основе оксидов кремния и алюминия. При использовании плит из шамота, толщина которых составляет 60 мм, подовое пространство печи заполнено в основном опорными плитами, поэтому снижается доля полезного объема и подавляющая часть энергии затрачивается на разогрев опорных плит. Кроме того, в силу значительной теплоемкости столь массивных плит увеличивается время охлаждения печи до стадии выгрузки изделий, что снижает производительность технологических процессов.

Плиты на основе самосвязанного карбида кремния и муллитовой керамики имеют значительно меньшую толщину, но их изготовление сопряжено с рядом технологических проблем.

К вновь создаваемым материалам для изготовления лещадок предъявляются следующие требования: высокая изгибная прочность при температуре до 1350°С в окислительных и восстановительных средах; низкая толщина плит при значительной их площади; отсутствие «прилипания» обрабатываемых изделий к материалу плит.

Известен способ изготовления изделий из силицированного углеродного композиционного материала (УКМ) (по патенту РФ №2058964, С04В 35/52,1992, опубл. 27.04.1996) [1], включающий изготовление каркаса из углеродного волокна, уплотнение его пироуглеродом, механическую обработку полученной заготовки из УКМ и ее силицирование. При этом заготовку из УКМ изготавливают из двух углеродных слоев, один из которых - основной - содержит углерод с пониженной реакционной способностью к жидкому кремнию, а другой, - поверхностный - с предельно высокой активностью. Данный способ позволяет изготавливать изделия из силицированного УКМ с переменным содержанием карбида кремния.

Недостатком способа является то, что при его использовании операции формирования каркаса и уплотнения его пироуглеродом повторяются дважды, что приводит как к усложнению технологии изготовления, так и к снижению адгезионной связи между слоями изделия. Кроме того, операция силицирования заготовки проводится путем плавления кремния, насыпанного на ее поверхность, что затрудняет получение плит большой площади и требует использования опорных подставок, к которым может привариться силицированная заготовка при возможном протекании расплавленного кремния.

Известен способ (по патенту РФ №2194683, С04В 35/573, С04В 35/565, С04В 41/88, опубл. 20.12.2002) [2] изготовления изделий из силицированного углеродного композиционного материала с переменным содержанием карбида кремния, включающий изготовление слоистой заготовки из углеродного композиционного материала на основе каркаса из углеродно-волокнистого наполнителя, уплотненного углеродом, и ее силицирование, причем для силицирования формируют заготовку из углеродного композиционного материала с открытой пористостью, уменьшающейся от наружного защитного слоя к внутренним несущим слоям от 20-60% до 6-12%, при этом наружный защитный слой заготовки формируют с развитой мелкопористой структурой, силицирование заготовки осуществляют путем пропитки расплавом кремния с добавками в него меди, и/или титана, и/или бора.

Способ [2] наиболее близок к предлагаемому техническому решению и принят за прототип.

Недостатками известного способа являются сложность изготовления слоистой заготовки УКМ с переменной пористостью, а также невозможность получения пластин силицированного УКМ значительной площади с его помощью.

Задачей заявляемого способа является получение композиционного материала в форме плит большой площади и относительно малой толщины, пригодного для изготовления высокопрочных тонких опорных плит (лещадок), способных использоваться при повышенных температурах в окислительных и восстановительных средах.

Для достижения поставленной задачи в способе получения опорных плит для обжига керамических изделий, включающем изготовление слоистой заготовки из углеродного композиционного материала на основе каркаса из углеродно-волокнистого наполнителя и ее силицирование, при этом слоистую заготовку выполняют в виде слоя углеродного войлока на ленте из углеграфитовой ткани, затем проводят протягивание полученной заготовки под капиллярным питателем подающим расплав кремния и кристаллизацию расплава.

В результате силицирования волокна исходных УКМ превращаются в волокна карбида кремния, внедренные в матрицу кремния. Для достижения этого результата процесс перемещения наложенных друг на друга лент из углеродного войлока и углеткани проводят в горизонтальной плоскости в среде вакуума или инертного газа с подачей к поверхности слоя войлока расплавленного кремния. Использование нижнего слоя углеткани обусловлено тем, что войлок невозможно натянуть в силу низкой его механической прочности.

Пример

В водоохлаждаемую герметичную камеру установили бобину с намотанной на нее лентой из углеграфитовой ткани ТМП-5 толщиной 1 мм, длиной 1,5 м и шириной 120 мм. На поверхности этой ленты разместили ленту углеродного войлока НТМ-200м - нетканого материала на основе измельченного углеволокна с исходной плотностью 0,18-0,22 г/см³ шириной 120 мм, толщиной 4 мм и длиной 420 мм. Ленту несущей углеткани привели в зацепление с вращаемой аналогичной приемной бобиной. После вакуумирования камеры до уровня 10^-1 Торр капиллярный питатель, содержащий дробленый кремний, нагрели до температуры 1500°С и включили механизм перемещения ленты углеткани. Скорость перемещения поддерживали в пределах 1-1,5 см/мин. После завершения процесса и вскрытия камеры извлекли полученное изделие, представляющее собой слой силицированного войлока на поверхности также силицированной углеродной ткани. Фазовый состав материала на основе войлока НТМ-200м: SiC - 8 масс. %, Si - 90 масс. %, С - 2 масс. %, на основе углеродной ткани ТМП-5: SiC - 12 масс. %, Si -85 масс. %, С - 3 масс. %. Суммарная толщина полученных пластин составила 5,2 мм, ширина - 120 мм, длина - 415 мм.

Структура слоя силицированного войлока НТМ-200м приведена на Фиг. 1: а - поперечное сечение, б - вид внешней поверхности. Можно видеть, что внешняя поверхность композита характеризуется наличием выступающих силицированных волокон, что нарушает плоскостность поверхности плит. Но результаты температурных испытаний показали отсутствие деформации обжигаемых на их поверхности керамических изделий.

В связи с особенностями применения разработанных материалов был определен предел их прочности на изгиб в интервале температур от 800 до 1250°С. Результаты измерения приведены на Фиг. 2. Кривая 1 относится к композиту, включающему слой нетканого углеродного войлока на поверхности углеткани. Предел прочность на изгиб составляет 420 МПа в достаточно широком температурном интервале. Кривая 2 соответствует данным силицированной углеграфитовой ткани без добавления слоя войлока.

Значения предела изгибной прочности в случае ткани достигают 200 МПа, но получаемый материал имеет малую толщину (не более 1,1 мм) и не способен выдержать значительную концентрированную весовую нагрузку, величина которой может достигать 15 Кг в центре плиты.