Способ получения кварцевой керамики

Изобретение относится к технологии керамических материалов из кварцевой керамики с повышенной прочностью на изгиб, позволяющей изготавливать керамические экраны для приборов разного назначения и огнеупорные керамические изделия.

Известна технология получения кварцевой керамики с повышенной высокотемпературной прочностью и сохранением диэлектрических и теплофизических свойств (Патент РФ №2458022 МПК С04В 35/14, В82В 3/00, опубл. 20.08.2012). Получение наномодифицированной кварцевой керамики осуществляют, подвергая обожженную кварцевую керамику или изделия из нее с открытой пористостью 7-14%, полученную методом водного шликерного литья из полидисперсной суспензии с размером зерен от 0,1 до 500 мкм при содержании частиц 0,1-5,0 мкм 20-30%, частиц 60-500 мкм 2-10%, пропитке в водном растворе соли Аl(NO₃)₃⋅9Н₂O, а затем сушке и пиролизу при температуре 400-600°С в течение 2-6 часов. Однако упрочнение кварцевой керамики в этом случае идет только за счет малого увеличения плотности керамики наночастицами α-Аl₂О₃ без изменения энергии поверхностного слоя.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения модифицированной кварцевой керамики, включающий изготовление шликера из боя кварцевого стекла, формирование сырой заготовки и пропитку последней жидким пропитывающим раствором, а затем сушку пропитанной заготовки и последующую термообработку. Для пропитки использовали раствор Аl(NO₃)₃, тетраэтоксисилана, этанола и воды с рН≥4 в растворе, а термообработку заготовки осуществляли при температуре 950-1200°С (Патент РФ №252582014 МКП С04В 35/14, С04В 41/4692, опубл. 20.08. 2014).

Недостатки данного способа: увеличение прочности керамики достигается только при получении сырых заготовок с высокой пористостью, что не обеспечивает высокой прочности керамики.

Применение энергоемких технологических операций приводит к снижениею технико-экономической эффективности процесса изготовления керамики.

Задачей изобретения является повышение механической прочности (прочности на изгиб) кварцевой керамики, полученной методом шликерного литья.

Технический результат достигается за счет технологии, режимы которой подобраны опытным путем.

Задача изобретения решается в новом способе получения кварцевой керамики, включающем изготовление водного шликера из кварца, формирование заготовки методом отлива водного шликера в гипсовые формы, сушку и последующую термообработку, в котором, в отличие от прототипа, изготавливают водный шликер из кварца плотностью от 1,75 до 1,86 г/см³, полученные сырые заготовки сушат не менее 24 часов при комнатной температуре, последующую термообработку проводят в установке с графитовым нагревателем при температуре 1300-1400°С в течение 0,2-1,0 часа в вакууме 0,7-1,5 мм рт.ст. при скорости нагрева не более 10 град/мин, после чего охлаждают от 1300-1400 до 1000°С со скоростью охлаждения 5-10 град/мин с последующим инерционным охлаждением.

Возможно приготовление водного шликера из кварцевой крупки, плотность которого должна быть в пределах 1,75-1,83 г/см³, или приготовление водного шликера из боя кварцевого стекла, плотность которого должна быть в пределах 1,79-1,86 г/см³.

Использование водного шликера из кварцевой крупки заданной плотности 1,75-1,83 г/см³, сушки заготовки, полученной методом отлива в гипсовые формы, не менее 24 часов при комнатной температуре, что обеспечивает идентичные начальные и граничные условия для протекания процессов при спекании заготовки. Затем последнюю подвергают термообработке в вакуумной установке с указанными режимами. Скорость нагрева обуславливает изотермические условия нагрева образцов и равномерность изменения энергии поверхности и зерен материала. При температуре 1300-1400°С происходит равномерная усадка, что повышает однородность конечного продукта, и трансформация структуры материала, как результат протекания механизмов спекания, что позволяет получить упрочненную кварцевую керамику. Термообработка в вакуумной установке с графитовым нагревателем при температурах 1300-1400°С обеспечивает необходимый химический потенциал среды для интенсификации процессов спекания на поверхности и в объеме заготовки. Ограничение по скорости охлаждения в интервале температур 1400-1000°С позволяет получить однофазный материал без фазы кристобалита, последний снижает механическую прочность кварцевой керамики.

Использование водного шликера с плотностью с 1,83-1,86 г/см³, приготовленного из боя кварцевого стекла (трубки с толщиной стенки 3-4 мм), позволяет получить высокоплотный шликер с большей дефектностью поверхности зерен и измененной поверхностной энергией их в заготовке, что проявляется при протекании механизмов спекания. Интенсивность спекания заготовки выше, чем при использовании шликера из кварцевой крупки, что отражается на продолжительности термообработки.

Все диапазоны технологических параметров получения упрочненной кварцевой керамики являются оптимальными для достижения заявленного результата.

Конкретный пример выполнения 1.

Из водного шликера, приготовленного из кварцевой крупки с содержанием SiO₂ не менее 96 мас.%, плотностью 1,79 г/см³ формируют прямоугольные заготовки с сечением 8,5^+0,5×8,5^+0,5 мм методом отлива в гипсовые формы и последующей сушкой в течение примерно 150 часов при комнатной температуре. Затем полученные заготовки подвергают термообработке в установке с графитовым нагревателем при температуре 1300°С в течение 0,5 часа в вакууме 0,8 мм. рт.ст. при скорости нагрева не более 10 град/мин, после чего охлаждают в диапазоне температур 1300-1000°С со скоростью охлаждения 5 град/мин. Методом трехточечного изгиба был определен предел прочности при изгибе полученных образцов кварцевой керамики, равный 386 кг/см².

Конкретный пример выполнения 2.

Из водного шликера, приготовленного из боя кварцевого стекла, например полученного из трубок с толщиной стенки 3-4 мм, с плотностью 1,85 г/см³, формируют прямоугольные заготовки с сечением 8,5^+0,5×8,5^+0,5 мм методом отлива в гипсовые формы и последующей сушкой в течение примерно 72 часов при комнатной температуре. Затем полученные заготовки подвергают термообработке в установке с графитовым нагревателем при температуре 1300°С в течение 0,5 часа в вакууме 0,8 мм рт.ст. при скорости нагрева не более 10 град/мин, после чего охлаждают в диапазоне температур 1300-1000°С со скоростью охлаждени 8 град/мин. Предел прочности на изгиб полученных образцов кварцевой керамики был равен 520 кг/см².

Предложенная технология получения кварцевой керамики подобрана опытным путем и обеспечивает увеличение механической прочности (на изгиб) материала и, как следствие, термостойкости за счет повышения однородности керамики и плотности материала, а также очистки межзеренных границ керамики.