×
04.05.2020
220.018.1ba5

Способ получения огнеупорных изделий из керамического материала на основе ниобата калия-натрия

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Предлагается способ получения огнеупорных изделий из керамического материала на основе ниобата калия-натрия в виде различной технологической оснастки: реакционных сосудов, тиглей, оснований, реакторов и т.п., используемых при производстве технических керамик, преимущественно пьезоэлектрических, на основе титанатов калия-натрия-висмута (KNBT) или ниобатов калия-натрия (KNN), при котором при подготовке шихты исходные компоненты NCO и KCO используют в виде 1 мольных водных растворов, a NbO в виде порошка со средним размером зерна 10 мкм. При непрерывном перемешивании смешивают растворы карбонатов калия и натрия с навеской порошка оксида ниобия в мольном соотношении 1:1, упаривают полученную водную смесь карбонатов и оксида до состояния рассыпчатой смеси, которую далее дегидратируют в сушильном шкафу при температуре 210°С до постоянства массы и охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе. Затем в подготовленную таким образом шихту вводят 10% временной технологической связки в виде 5% водного раствора поливинилового спирта путем смешивания их в смесителе принудительного действия и выдержки в закрытой емкости в течение технологического времени до обеспечения равномерности распределения раствора поливинилового спирта и стабилизации влажности по объему с получением гомогенной формовочной массы, которую затем гранулируют до размеров, способствующих повышению текучести и укладываемости. Формование заготовок ведут методом двухстороннего одноосного прессования при давлении 100 МПа, обеспечивая идентичность последних по геометрическим параметрам готовым изделиям, при этом стадию синтеза материала ниобата калия-натрия совмещают со стадией спекания изделия, осуществляя их одновременно за один технологический переход. В результате достигается сокращение технологического процесса за счет упрощения подготовки шихты и совмещения проводимых операций. 2 з.п. ф-лы.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области технологий получения огнеупорных изделий из химически устойчивых керамических материалов, в частности, различных видов технологической оснастки: реакционных сосудов, тиглей, оснований, реакторов и т.п., используемых при производстве технических керамик, преимущественно пьезоэлектрических, на основе титанатов калия-натрия-висмута (KNBT) или ниобатов калия-натрия (KNN).

В связи с тем, что при производстве пьезоэлектрической керамики на основе КНН или KNBT для осуществления твердофазного синтеза необходимо обеспечить близкий порядок реагентов и их заданную концентрацию в реакционном пространстве, а обжиг проводить в закрытых емкостях при избыточном давлении паров калия и натрия, к огнеупорной оснастке предъявляются требования по высокой химической стойкости в высокотемпературных парах оксидов калия и натрия с тем, чтобы не допустить снижения концентрации необходимых реагентов в реакционной зоне и исключить вероятность деградации материала оснастки (увеличение его пористости и уменьшения прочности) под активным воздействием этих паров.

Использование при этом известных в настоящее время изделий огнеупорной оснастки, например из корундовой, карбидо-углеродной или кварцевой керамики, не эффективно из-за сниженного срока службы, т.к. они не обладают достаточной химической стойкостью и/или эксплуатационной стойкостью в условиях цикловых температурных перепадов (термоударов); либо имеют ограниченное применение из-за дороговизны, как например огнеупорная оснастка из платины или других редкоземельных металлов.

Так известен способ получения химически устойчивого огнеупорного изделия из композиционного материала на основе диоксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия (RU 2489403, 2013 г.) включающий смешивание порошков HfO2 и Y2O3 в заданном соотношении, гранулирование посредством окатывания при распылении в сухую смесь водного раствора полимерных связующих, высушивание гранул по «сухой технологии», неоднократное просеивание до получения конечной смеси с заданными размерами гранул, поэтапное прессование заготовок в виде таблеток при давлении 20-50 МПа и последующее спекание на воздухе в стандартной печи, избегая применения огнеупорной оснастки из углерода. После спекания заготовок проводят дополнительную механическую обработку с целью получения готового изделия.

Использование дорогостоящих материалов, усложненность схемы технологического процесса и его аппаратной составляющей делает такой способ затратным, удорожающим стоимость полученных изделий.

Известны способы получения химически стойких огнеупорных изделий из материалов, содержащих необий (RU 2433105, 2011 г и RU 2378226, 2010 г. ). В первом из них получают составное огнеупорное керамическое изделие путем первоначального изготовления основы из нескольких плоских блоков кварцевой керамики умеренной пористости, которые соединены в одно целое посредством соединительных швов, заполненных припоем из пентаоксида ниобия или тантала, и последующего нанесения наружного покрытия также из пентаоксида ниобия или тантала. После фиксации блоков формируют припой из шихты пентаоксида ниобия или тантала, которую обрабатывают концентрированным световым потоком в фокальной зоне оптической печи. Изделие может быть модифицировано с приданием ему требуемой формы, размера и объема оснастки и обладает повышенной стойкостью к термоударам, но имеет сниженную химическую стойкости по отношению к парам оксидов натрия и калия из-за материала основы.

По второму способу получают огнеупорное изделие, материал которого содержит окись магния и недоокись ниобия, и состоит из микроструктур, которые включают по существу гомогенные области, богатые недоокисью ниобия, и гомогенные области, богатые окисью магния. Используемый исходный материал представляет собой коммерчески доступную высокочистую пятиокись ниобия с площадью удельной поверхности от 5 до 20 м2/г саму по себе, или в виде двуокиси ниобия, полученной после восстановления в потоке водорода. Керамический материал изделия получают, используя стандартные процессы по традиционной схеме изготовления керамики. В результате прессования формовочной массы тем или иным методом получают заготовку изделия в виде прямоугольной пластины с определенными размерами, которую сначала подвергают машинной обработке на обычном фрезерном станке таким образом, что получают тарелкообразную деталь, а затем спекают.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения определен способ получения изделия с использованием ниобия (RU 2555847, 2015 г. ), при котором изделие получают монолитным полностью из керамического материала на основе КНН, и который «…применим ко всем керамическим материалам на основе КНН» (лист 6 описания к патенту).

Способ-прототип включает стадию подготовки шихты и последующие стадии синтеза материала методом твердофазной реакции, формования заготовок прессованием из формовочной массы и спекание их в закрытых тиглях в присутствии засыпки с получением готового изделия. Шихту, содержащую карбонаты, оксиды и предварительно раздельно синтезированные соединения KNbO3 и NaNbO3, приготавливают путем сушки исходных компонентов, и смешения в шаровой мельнице мокрым способом, после чего полученную таким образом шихту активируют для повышения реакционной способности компонентов путем помола в планетарной мельнице с использованием мелющих тел с высокой удельной поверхностью 1200 м-1 из стабилизированной иттрием керамики диоксида циркония в течение двух часов в среде изопропилового спирта. Спекание образцов проводят при 1120-1150°С в присутствии засыпки порошка NaNbO3, затем механически дорабатывают.

Комплексный и поэтапный синтез ниобата калия-натрия, выполняемый на разных отдельных стадиях процесса, в прототипе завышает затраты на многостадийное приготовление шихты и, соответственно, усложняет и удорожает весь процесс изготовления готового изделия, снижая его эффективность.

Задача, реализуемая изобретением, направлена на разработку более эффективного способа получение химически устойчивых и термически стойких изделий огнеупорной оснастки, используемой при синтезе и обжиге материалов при производстве пьезоэлектрической керамики на основе ниобатов и титанатов.

Техническим результатом изобретения является сокращение технологического процесса за счет упрощения подготовки шихты и совмещения проводимых операций.

Для достижения заявленного технического результата в способе получения огнеупорных изделий из керамического материала на основе ниобата калия-натрия, включающем подготовку шихты, содержащей карбонаты натрия и калия и оксид ниобия, путем смешивания исходных компонентов и сушки; и стадии синтеза материала методом твердофазной реакции, формования заготовок прессованием из формовочной массы и спекание их в закрытых тиглях в присутствии засыпки с получением готового изделия, согласно изобретения, стадию синтеза материала ниобата калия-натрия совмещают со стадией получения готового изделия спеканием, осуществляя их одновременно за один технологический переход, и при этом при подготовке шихты исходные компоненты Na2CO3 и K2CO3 используют в виде 1 мольных водных растворов, a Nb2O5 в виде порошка со средним размером зерна 10 мкм, и при непрерывном перемешивании смешивают растворы карбонатов калия и натрия с навеской порошка оксида ниобия в мольном соотношении 1:1, упаривают полученную водную смесь карбонатов и оксида до состояния рассыпчатой смеси, которую далее дегидратируют в сушильном шкафу при температуре 210°С до постоянства массы, и охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе, после чего в подготовленную таким образом шихту вводят 10% временной технологической связки в виде 5% водного раствора поливинилового спирта путем смешивания их в смесителе принудительного действия и выдержки в закрытой емкости в течение технологического времени до обеспечения равномерности распределения раствора поливинилового спирта и стабилизации влажности по объему с получением гомогенной формовочной массы, которую затем гранулируют до размеров, способствующих повышению текучести и укладываемости, при этом формование заготовок ведут методом двухстороннего одноосного прессования при давлении 100 МПа, обеспечивая идентичность последних по геометрическим параметрам готовым изделиям.

В частных случаях реализации способа:

- в качестве засыпки используют смесь порошков карбонатов калия и натрия;

- спекание ведут при температурах в диапазоне 1100-1150°С при скорости 200°С/час и изотермической выдержки 1 час.

Осуществление способа.

При получении огнеупорных изделий из керамического материала на основе ниобата калия-натрия, в качестве исходных компонентов используют оксид ниобия со средним размером зерна ~10 мкм, карбонат натрия и карбонат калия. Смешивают 1 мольные водные растворы карбоната калия и карбоната натрия, в полученную смесь растворов вводят оксид ниобия в мольном соотношении 1:1, упаривают при температуре 80-100°С и дегидратируют при температуре 200-250°С. Из полученной смеси готовят формовочную массу путем введения 10% временного технологического связующего (5% водного раствора поливинилового спирта).

Из формовочной массы методом двухстороннего одноосного прессования с давлением 100 МПа изготавливают заготовки, обеспечивая идентичность последних по геометрическим параметрам готовым изделиям. Обжиг изделия осуществляют в засыпке из смеси порошков карбонатов калия и натрия при температуре 1100-1150°С, скорость нагрева должна составлять 200°С/час при изотермической выдержки в течение 1 часа.

Смешивание оксида ниобия с водными растворами карбоната натрия и карбоната калия с последующим упариванием обеспечивает высокую гомогенность смеси, что способствует более полному протеканию реакции синтеза ниобата калия-натрия и равномерное спекание отформованного изделия. По предлагаемой схеме производиться синтез материала химически устойчивого к парам оксидов калия и натрия и обжиг изделия происходит одновременно, что позволяет сократить количество технологических операций. Обжиг огнеупорных изделий из керамического материала на основе ниобата калия-натрия осуществляется при температуре не превышающей 1200°С в воздушной атмосфере. При обжиге, по мере повышения температуры, происходит выгорание временной технологической связки, разложение карбонатов и синтез ниобата калия-натрия и спекание изделия. Материал полученного изделия состоит в основном из ниобата калия-натрия, имеющего высокую стойкость к высокотемпературному воздействию паров оксидов калия и натрия. Помимо этого использование огнеупорной оснастки, изготовленной из предлагаемого материала, для проведения синтеза пьезокерамических материалов на основе титанатов и ниобатов и для обжига изделий из пьезокерамических материалов на основе титанатов и ниобатов позволят поддерживать необходимую концентрацию паров оксидов калия и натрия в реакционной зоне.

При необходимости требуемую в соответствии с назначением изделия заключительную обработку, например нанесение дополнительного покрытия изделия, проводят по завершению стадии спекания,

Пример.

В качестве исходных компонентов используются карбонаты и оксиды следующих квалификаций: Na2CO3 - «ч.д.а.», K2CO3 - «ч.д.а.», Nb2O5 - «х.ч.». Исходные реагенты используются в сухом состоянии с влажностью не более 0,5%. Количество реагентов берут в соответствии с химической формулой синтеза керамического материала: Nb2O5 - 100 г, Na2CO3 - 20 г., K2CO3 - 26 г.

Готовятся 1 мольные водные растворы карбоната калия и натрия. Для приготовления растворов используется дистиллированная вода, нагретая до 50°С.

Изготовленные растворы карбонатов смешивают в емкости, вводят навеску оксида ниобия и помещают в емкость перемешивающие элементы для магнитной мешалки. Применяемые емкости и перемешивающие элементы для магнитной мешалки должны быть изготовлены из материалов химически инертных к смешиваемым компонентам (поликарбонат, кварцевое стекло и т.п.). Емкость устанавливают на магнитной мешалке с подогревом.

Полученную смесь растворов карбоната калия, карбоната натрия и оксида ниобия упаривают при температуре раствора 80°С при непрерывном помешивании на магнитной мешалке до получения рассыпчатой смеси.

Полученную смесь дегидратируют при температуре 210°С в сушильном шкафу до постоянства массы. После дегидратации смесь охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе, измельчают и пропускают через сито №025 для дизагломерации.

Для изготовления формовочной массы полученную смесь ингредиентов помещают в чашу смесителя принудительного действия и при непрерывном перемешивании вводят 10% временной технологической связки (5% водного раствора поливинилового спирта). Чаша и лопасти смесителя изготавливаются из материала химически инертного к компонентам формовочной массы, стойкого к истиранию или термически разлагаемого без остатка при температуре до 1000°С. Смешивание производится в течении 10 минут. Полученную смесь подвергают выдержке в закрытой емкости в течение технологического времени (около 3-5 часов) до обеспечения равномерности распределения раствора поливинилового спирта и стабилизации влажности по объему с получением гомогенной формовочной массы, которую затем протирают через сито №063 с использованием полимерных шпателей два раза для грануляции до размеров, способствующих повышению текучести и укладываемости.

В матрицу пресс-формы помещают заданное количество формовочной массы и производят формование заготовки изделия методом двухстороннего одноосного прессования с давлением 100 МПа. Отформованная заготовка изделия извлекается из пресс-формы и подвергаются сушке в сушильном шкафу при температуре 110°С до постоянства массы.

Высушенные заготовки изделия помещают в тигли с крышками, свободно обсыпают порошком карбонатов калия и натрия. Подготовленные тигли с заготовками изделий помешают в печь сопротивления и устанавливают на равноудаленном расстоянии от нагревательных элементов. Обжиг изделий проводится в воздушной атмосфере при температуре 1120°С с изотермической выдержкой 1 час, при этом происходит выгорание временного технологического связующего, твердофазная реакция синтеза ниобата калия-натрия и спекание изделия. Скорость нагрева должна быть не выше 200°С /час.

Следовательно, в результате реализации способа:

- упрощается схема получения смеси реагентов высокой гомогенности - исключается использование механических мельниц и смешивающих устройств для равномерного распределения, исключается внесение загрязнений от мелющих тел в состав смеси;

- исключается использование дорогостоящего термического оборудования (газонепроницаемых печей, вакуумных печей), не используется специально наведенная газовая атмосфера - водород, аргон и т.п.;

- меньшая температура спекания, упрощен термический цикл спекания;

- более простой и менее затратный способ приготовления исходных реагентов;

- отсутствует необходимость в значительной механической доработке изделия;

- за один технологический переход при обжиге по мере повышения температуры обеспечивается удаление (выгорание) временной технологической связки, разложение карбонатов и синтез ниобата калия-натрия и спекание изделия.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-7 из 7.
29.05.2018
№218.016.586f

Способ защиты упаковки продукции массового потребления от фальсификации

Способ защиты упаковки продукции массового потребления от фальсификации осуществляют путем печати на упаковочном или на присоединяемом к продукции полимерном анизотропном термоусадочном материале штрихового кода линейной символики с расположением штрихов кода перпендикулярно направлению усадки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002655149
Дата охранного документа: 23.05.2018
14.03.2019
№219.016.def6

Способ приготовления шихты для получения пьезоэлектрических керамических материалов

Изобретение относится к составу шихты, предназначенной для получения пьезоэлектрических керамических материалов (ПЭКМ) различного назначения на основе ниобатов калия-натрия. Первоначально путем смешивания водных растворов карбонатов KCO и NaCO, упаривания и дегидрирования смеси синтезируют...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002681759
Дата охранного документа: 12.03.2019
16.11.2019
№219.017.e34e

Способ получения керамики на основе титаната бария

Изобретение относится к области технологии получения керамики для изготовления диэлектриков конденсаторов, в т.ч. многослойных. Согласно предлагаемому способу шихту готовят из смеси двух порошков титаната бария BaTiO различной дисперсности, взятых в массовом соотношении (85,0-95,0):(15,0-5,0),...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002706275
Дата охранного документа: 15.11.2019
05.02.2020
№220.017.fdbe

Способ получения особочистого мелкокристаллического титаната бария

Изобретение относится к области синтеза мелкокристаллического титаната бария, используемого для изготовления керамических конденсаторов. Способ включает обработку смеси диоксида титана и барийсодержащего реагента в среде на основе пара воды при повышенных температуре и давлении, при этом в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002713141
Дата охранного документа: 03.02.2020
28.02.2020
№220.018.06f5

Способ управления сгоранием в двс с турбокомпрессором

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам управления сгоранием топливовоздушной смеси бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Способ управления сгоранием в ДВС (1) с турбокомпрессором (5) характеризуется тем, что для реализации процесса управляемого гомогенного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002715305
Дата охранного документа: 26.02.2020
01.04.2020
№220.018.122f

Способ управления сгоранием в двс с электротурбокомпрессором

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам управления сгоранием топливовоздушной смеси бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Способ управления сгоранием в ДВС (1) с электротурбокомпрессором (5) характеризуется тем, что для реализации процесса управляемого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002718098
Дата охранного документа: 30.03.2020
08.08.2020
№220.018.3e30

Аппаратно-программный комплекс для мониторинга жизненных показателей

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к аппаратно-программному комплексу для мониторинга жизненных показателей. Комплекс представляет собой закрепляемую на груди майку с прочной составляющей в районе солнечного сплетения и лямками на плечах и на линии крепления датчиков под...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002729430
Дата охранного документа: 06.08.2020
Показаны записи 1-10 из 22.
27.12.2014
№216.013.1494

Способ получения конструкционной алюмооксидной керамики

Изобретение относится к технологии плотно спеченных керамических материалов конструкционного назначения и может быть использовано для изготовления изделий, сочетающих высокие показатели прочности с повышенными термомеханическими свойствами и элементы ударопрочной защиты. Для изготовления...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002536692
Дата охранного документа: 27.12.2014
10.04.2015
№216.013.389e

Способ получения композиционного материала alo-al

Изобретение относится к керметам, а именно к получению композиционного материала AlO-Al. Сплав Al-Mg с содержанием магния 15-25 мас.% обрабатывают водным раствором едкого натра до образования в маточном растворе осадка в виде гранул. Осадок отделяют от маточного раствора и отмывают водой до...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002545982
Дата охранного документа: 10.04.2015
10.11.2015
№216.013.8de1

Модифицирующая смесь для внепечной обработки стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам смесей для легирования и модифицирования сталей, используемых для производства литых изделий высокой эксплуатационной надежности для работы техники, железнодорожных вагонов в сложных низкотемпературных климатических условиях. В...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002567928
Дата охранного документа: 10.11.2015
20.04.2016
№216.015.35e5

Способ получения алюмооксидной конструкционной керамики

Изобретение относится к технологии пористых конструкционных керамических материалов и может быть использовано в качестве теплоизоляционного термостойкого огнеприпаса. Технический результат изобретения - увеличение термостойкости материала в условиях множественных последовательных термосерий при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002581183
Дата охранного документа: 20.04.2016
12.01.2017
№217.015.6276

Смесь для модифицирования и рафинирования стали и чугуна

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для создания рафинирующих и модифицирующих смесей для производства ответственных изделий из чугуна и стали. Смесь содержит, мас.%: минералы кальций-барий-стронциевого карбоната и титаносодержащий материал соответственно...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002588932
Дата охранного документа: 10.07.2016
13.01.2017
№217.015.6b97

Автоматический регенерируемый фильтр

Изобретение относится к устройствам фильтрования жидкостей и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где требуется эффективная очистка жидкостей от механических примесей в широком диапазоне тонкостей фильтрации при непрерывном процессе фильтрования. Фильтр включает корпус с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002592631
Дата охранного документа: 27.07.2016
13.01.2017
№217.015.6c4a

Автоматический регенерируемый фильтр

Изобретение относится к устройствам фильтрования жидкостей и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где требуется эффективная очистка жидкостей от механических примесей в широком диапазоне тонкостей фильтрации, при непрерывном процессе фильтрования. Фильтр включает корпус...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002592632
Дата охранного документа: 27.07.2016
25.08.2017
№217.015.a9c9

Способ получения композитного материала на подложке

Изобретение относится к полимерной химии. Выбирают металлические частицы двух разных размеров. Измельчают полимер до меньшего размера частиц металла. Раздельно перемешивают крупные и мелкие частицы металла с частицами полимера с образованием двух фракций порошков. Производят нагрев частиц...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002611540
Дата охранного документа: 28.02.2017
29.12.2017
№217.015.f456

Шихта для изготовления корундовых огнеупорных изделий

Изобретение относится к производству корундовых огнеупорных изделий методом вибролитья и может быть использовано при производстве крупногабаритных изделий сложной конфигурации. Технический результат - повышение термостойкости и химической стойкости изделий. Технический результат достигается...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637266
Дата охранного документа: 01.12.2017
29.12.2017
№217.015.f4d7

Способ изготовления огнеупорных изделий из корундовой керамики

Изобретение относится к области получения огнеупорных изделий из корунда с использованием частиц нанодиапазона. Приготавливают формовочную смесь, содержащую электрокорунд при соотношении фракций 0,5÷3 мм к 0,01÷0,5 мм, равном 4:3, глинозем реактивный тонкодисперсный, нанодисперсное...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637264
Дата охранного документа: 01.12.2017
+ добавить свой РИД