Способ получения керамического прекурсора для синтеза лейкосапфира

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к способу получения керамического прекурсора для синтеза лейкосапфира.

Использование керамических заготовок, представляющих собой особо чистый оксид алюминия, в качестве прекурсора для синтеза лейкосапфира позволяет получать кристаллы лейкосапфира с большим выходом продукта.

Керамический прекурсор для синтеза лейкосапфира может иметь самостоятельное применение: в качестве режущего инструмента, деталей двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, в качестве имплантов, искусственных суставов в медицине; в микроэлектронике в качестве подложек. Также данный материал может применяться для изготовления металлокерамики, адсорбентов и носителей для катализаторов.

Основными требованиями к исходному керамическому прекурсору для синтеза лейкосапфира являются содержание минеральных примесей не более 0,001 мас. % по сумме 12 элементов.

В настоящее время лейкосапфир получают методом Вернейля, в котором [SU 778363] порошок исходного оксида алюминия просыпается в пламя кислородно-водородной горелки или тигельными методами: Чохральского, Киропулоса, Степанова и др. В тигельных методах [RU 42530; RU 2346887] используют кристаллический оксид алюминия, который перед кристаллизацией расплавляют в тигле для синтеза лейкосапфира.

Недостатком обоих методов является то, что содержание минеральных примесей относительно высокое из-за отсутствия стадии очистки.

При этом решающее значение имеет полнота заполнения тигля, определяющая производительность установки для синтеза лейкосапфира. Именно поэтому в вышеприведенных методах использование порошка из корунда является предпочтительным, так как его насыпная плотность составляет 2,0-2,4 г/см³, тогда как для гамма-оксида алюминия она не превышает 0,8 г/см³, что приводит к существенной потере полезного пространства тигля при плавке тигельными методами.

В связи с тем, что конечная плотность лейкосапфира составляет 3,95-4,00 г/см³, целесообразно использовать материал прекурсора с наибольшей плотностью для увеличения выхода кристалла лейкосапфира.

Известно, что для повышения плотности прекурсора, а значит и для увеличения выхода кристалла лейкосапфира в тигельных методах используют предварительную гарнисажную плавку [RU 2246547]. В этом случае порошкообразный шихтовый материал предварительно расплавляют в отдельном тигле гарнисажной печи. Полученный блок высокой плотности является пригодным для синтеза лейкосапфира.

Основным недостатком предварительной плавки в гарнисажной печи является то, что глубина расплава в них, даже при использовании электромагнитного перемешивания, недостаточна для получения однородных керамических заготовок [Тир Л.Л., А.П. Губченко. Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и чистоты. - М.: Энергоатомиздат, 1988 г. 120 с.].

Вторым недостатком является то, что в дуговых гарнисажных печах обычно используют графитовые тигли как наиболее безопасные в эксплуатации, однако это приводит к привнесению в конечный продукт следов углерода, что существенно снижает качество лейкосапфира [Рахманкулов М.М. Технология литья жаропрочных сплавов. М., Интернет Инжиниринг, 2000. 464 с.].

Исключить вышеуказанные недостатки и собственно саму гарнисажную плавку возможно при использовании керамического прекурсора высокой плотности, что позволяет существенно увеличить полезный объем тигля для синтеза лейкосапфира.

Известен способ подготовки исходного сырья для выращивания монокристаллов лейкосапфира [UA 61230], включающий высокотемпературную обработку порошкообразного оксида алюминия. Форма и размеры конечного продукта определяются формой и размерами приемного тигля, содержащего формообразующее устройство, при температуре меньше 2000°С. Дальнейшая температурная обработка осуществляется в плавильном тигле при температуре 2050-2100°С.

Недостатком способа является то, что отсутствие связующего звена с оксидом алюминия приводит к значительному содержанию брака, заключающемуся в наличии трещин в керамическом прекурсоре для синтеза лейкосапфира.

По этой причине вести направленный синтез монокристаллов лейкосапфира крайне затруднительно.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ получения сырья для выращивания монокристаллического лейкосапфира [UA 78462] (прототип), включающий следующие шаги:

- плавление смеси, состоящей из оксида алюминия и связующего звена в виде мелкодисперсного графита с содержанием углерода 0,4-0,6 мас. %;

- помещение полученного глиноземистого материала в плавильный котел с графитовыми нагревательными элементами;

- нагрев материала до температуры предварительного плавления при давлении 0,1-0,2 мм ртутного столба в течение 20-24 часов;

- постепенное в течение 1-2 ч увеличение температуры до 2100-2200°С и выдерживание жидкого расплава в течение 2-3 часов.

Недостатком способа по прототипу является то, что использование в качестве связующего звена мелкодисперсного графита приводит к привнесению в конечный продукт следов углерода, что существенно снижает качество лейкосапфира.

Изобретение направлено на изыскание способа получения керамического прекурсора с плотностью выше 3,2 г/см³, позволяющего в дальнейшем синтезировать лейкосапфир с содержанием минеральных примесей не более 0,001 мас. % при полном отсутствии следов углерода. Полученный таким способом прекурсор вполне пригоден для получения качественного конечного лейкосапфира.

Технический результат достигается тем, что предложен способ получения керамического прекурсора для синтеза лейкосапфира, заключающийся в том, что смесь гидраргиллита с 1÷15 мас. % электрокорунда с размером зерна от 10 до 50 мкм заливают 0,5÷2 мас. % водного раствора соляной кислоты и размешивают до образования композиции из однородной дисперсной фазы, композицию помещают в автоклав, в котором осуществляют гидротермальную обработку при температуре 180÷220°С в течение 4÷26 часов, полученную смесь образовавшегося бемита и электрокорунда сначала греют в муфельной печи на воздухе при температуре не выше 1200°С до полного удаления влаги, далее переносят в вакуумную печь, нагревают и выдерживают при температуре от 1700 до 1800°С в течение 1÷2 часов, полученную керамику затем охлаждают до образования прекурсора с плотностью не менее 3,2 г/см³.

Сущность предлагаемого способа получения керамического прекурсора с плотностью выше 3,2 г/см³ для синтеза лейкосапфира заключается в том, что при гидротермальной обработке смеси гидраргиллита и электрокорунда образуется новая смесь бемита и корунда, при прогреве указанной смеси корунд выступает в качестве затравки для роста зерна оксида алюминия из бемита, что сопровождается уплотнением конечного продукта.

Заявленное содержание электрокорунда установлено экспериментально. При содержании электрокорунда менее 1 мас. % плотность прекурсора не превышает 3,2 г/см³, а при содержании электрокорунда свыше 15 мас. % наблюдается растрескивание керамического прекурсора.

Использование 0,5÷2 мас. % водного раствора соляной кислоты обусловлено тем, что при осуществлении гидротермальной автоклавной обработки в кислой среде размеры кристаллов сравнительно меньше, чем в других средах, следовательно, они будут лучше спекаться в керамический прекурсор с плотностью выше 3,2 г/см³, однако при увеличении концентрации кислоты более 2 мас. % формируются кристаллы, размер которых больше 100 нм, следовательно, керамический прекурсор при спекании не будет иметь максимальной плотности. При уменьшении концентрации кислоты менее 0,5 мас. % кристаллизация происходит не полностью.

Использование водного раствора соляной кислоты обусловлено тем, что из всех неорганических кислот соляная кислота менее всего загрязняет конечный продукт побочными примесями.

Заявленный температурный интервал гидротермальной обработки определен экспериментальным путем и является оптимальным для получения однородной фазы синтезированного из гидраргиллита бемита. Минимальная температура автоклавной обработки обусловлена тем, что ниже 180°С процесс идет очень медленно. Верхний предел температуры обусловлен тем, что при температурах выше 220°С в кристаллах синтезированного из гидраргиллита бемита наблюдается нарушение симметрии.

Температура обработки при 200°С является оптимальной, так как она позволяет получать преобладающие фракции кристаллов бемита в интервалах 70÷100 нм, что позволяет, в свою очередь, данным кристаллам лучше спекаться в конечный продукт - керамический прекурсор для синтеза лейкосапфира.

Заявленный временной интервал гидротермальной обработки смеси гидраргиллита и электрокорунда 4÷26 часов определяется динамикой процесса формирования кристаллов, который в целом завершается через 3 часа при температуре 200°С, а для достижения однородной структуры кристаллов время обработки может составлять до 26 часов. Оптимальным является автоклавная обработка в течение 24 часа при 200°С, при которой в конечном продукте однородность фракции 70÷100 нм составляет 90%.

Температура прогрева в муфельной печи на воздухе для полного удаления влаги не выше 1200°С обусловлена техническими характеристиками печи.

Стадия полного удаления влаги из полученной смеси образовавшегося бемита и электрокорунда необходима для обеспечения последующей работы вакуумной печи.

Плавление в вакуумной печи полностью обезвоженного оксида алюминия при температуре от 1700 до 1800°С в течение 1÷2 часов обусловлено достижением плотности конечного продукта.

Для достижения технического результата использовали: гидраргиллит марки МДГА производства Пикалевского объединения «Глинозем» и электрокорунды марок от F600 до F240 с размером зерна от 10 до 50 мкм. Электрокорунд этих марок выбирают из соображения наилучших условий спекания с оксидом алюминия, полученным из бемита.

Ниже приведены примеры реализации заявляемого способа. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенный способ.

Пример 1.

0,5 г электрокорунда марки F 600 с размером зерна 10 мкм смешивали с 49,5 г гидраргиллита марки МДГА, заливали 1,5 мас. % водным раствором соляной кислоты и размешивали до образования композиции из однородной дисперсной фазы. Затем композицию помещали в автоклав, в котором осуществляли гидротермальную обработку при температуре 200°С в течение 24 часов, полученную смесь образовавшегося бемита и электрокорунда грели в муфельной печи на воздухе при температуре 1180°С до полного удаления влаги, а затем переносили в вакуумную печь, нагревали и выдерживали при температуре 1800°С в течение 1,5 часов.

После охлаждения керамики получали керамический прекурсор с плотностью 3,5 г/см³ и с суммарным содержанием минеральных примесей около 0,0005 мас. %, пригодный для синтеза лейкосапфира.

Пример 2.

2,5 г электрокорунда марки F 600 с размером зерна 10 мкм смешивали с 47,5 г гидраргиллита марки МДГА, заливали 1,5 мас. % водным раствором соляной кислоты и размешивали до образования композиции из однородной дисперсной фазы. Затем композицию помещали в автоклав, в котором осуществляли гидротермальную обработку при температуре 200°С в течение 24 часов, полученную смесь образовавшегося бемита и электрокорунда грели в муфельной печи на воздухе при температуре 1180°С до полного удаления влаги, а затем переносили в вакуумную печь, нагревали и выдерживали при температуре 1800°С в течение 1,5 часов.

После охлаждения керамики получали керамический прекурсор с плотностью 3,6 г/см³ и с суммарным содержанием минеральных примесей около 0,0005 мас. %, пригодный для синтеза лейкосапфира.

Пример 3.

7,5 г электрокорунда марки F 600 с размером зерна 10 мкм смешивали с 42,5 г гидраргиллита марки МДГА, заливали 1,5 мас. % водным раствором соляной кислоты и размешивали до образования композиции из однородной дисперсной фазы. Затем композицию помещали в автоклав, в котором осуществляли гидротермальную обработку при температуре 200°С в течение 24 часов, полученную смесь образовавшегося бемита и электрокорунда грели в муфельной печи на воздухе при температуре 1180°С до полного удаления влаги, а затем переносили в вакуумную печь, нагревали и выдерживали при температуре 1750°С в течение 2 часов.

После охлаждения керамики получали керамический прекурсор с плотностью 3,25 г/см³ и с суммарным содержанием минеральных примесей около 0,0005 мас. %, пригодный для синтеза лейкосапфира.

Пример 4.

0,5 г электрокорунда марки F 240 с размером зерна 10 мкм смешивали с 49,5 г гидраргиллита марки МДГА, заливали 1,5 мас. % водным раствором соляной кислоты и размешивали до образования композиции из однородной дисперсной фазы. Затем композицию помещали в автоклав, в котором осуществляли гидротермальную обработку при температуре 180°С в течение 26 часов, полученную смесь образовавшегося бемита и электрокорунда грели в муфельной печи на воздухе при температуре 1180°С до полного удаления влаги, а затем переносили в вакуумную печь, нагревали и выдерживали при температуре 1700°С в течение 1,5 часов.

После охлаждения керамики получали керамический прекурсор с плотностью 3,3 г/см³ и с суммарным содержанием минеральных примесей 0,001 мас. %, пригодный для синтеза лейкосапфира.

Пример 5.

2,5 г электрокорунда марки F 240 с размером зерна 10 мкм смешивали с 47,5 г гидраргиллита марки МДГА, заливали 1,5 мас. % водным раствором соляной кислоты и размешивали до образования композиции из однородной дисперсной фазы. Затем композицию помещали в автоклав, в котором осуществляли гидротермальную обработку при температуре 220°С в течение 12 часов, полученную смесь образовавшегося бемита и электрокорунда грели в муфельной печи на воздухе при температуре 1180°С до полного удаления влаги, а затем переносили в вакуумную печь, нагревали и выдерживали при температуре 1750°С в течение 1,5 часов.

После охлаждения керамики получали керамический прекурсор с плотностью 3,4 г/см³ и с суммарным содержанием минеральных примесей 0,001 мас. %, пригодный для синтеза лейкосапфира.

Предложенное изобретение позволяет получать керамический прекурсор с плотностью не менее 3,2 г/см³, позволяющий в дальнейшем синтезировать качественный лейкосапфир с содержанием минеральных примесей не более 0,001 мас. %.