Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА - Патент РФ 2191759
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к области керамических технологий, а именно к получению мембранных и ультрапористых материалов из сиалонов, предназначенных для работы в качестве фильтрующих и теплоизоляционных материалов. Способ получения пористого материала включает смешивание глинистого и углеродного компонентов, формование из смеси материала или изделия и последующий отжиг. Отжиг проводят в атмосфере азота при 1400-1450oС в течение 3-4 ч при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.%: глинистый компонент 76-82, углеродный компонент 18-24 с получением материала с размером пор менее 1,1 мкм. При этом в качестве глинистого компонента берут каолин, в качестве углеродного - графит, а формование ведут прессованием при давлении 25-100 МПа. Технический результат - повышение проницаемости материала. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2191759
Класс(ы) патента: C04B35/599, C04B38/00
Номер заявки: 99122561/03
Дата подачи заявки: 26.10.1999
Дата публикации: 27.10.2002
Заявитель(и): Государственное научное учреждение "Научный центр порошкового материаловедения" Пермского государственного технического университета
Автор(ы): Анциферов В.Н.; Гилев В.Г.
Патентообладатель(и): Государственное научное учреждение "Научный центр порошкового материаловедения" Пермского государственного технического университета
Описание изобретения: Изобретение относится к области керамических технологий, а именно к получению мембранных и ультрапористых материалов из сиалонов, предназначенных для работы в качестве фильтрующих и теплоизоляционных материалов.
Наиболее распространенным способом получения пористых материалов является метод выгорающих добавок. Способ включает смешивание порошков основы материала и выгорающей, чаще всего углеродной добавки, формование из смеси изделия, выжигание выгорающей добавки (как правило, на воздухе) и спекание. Способ предназначен для получения пористых материалов из оксидов. Известно также применение этого метода для получения мембранных материалов из реакционно-спеченного нитрида кремния (РСНК) [1].
Материалы из РСНК могут иметь малые размеры пор, однако в этом случае имеют ограничения по проницаемости, а применение выгорающих добавок из крахмала для повышения пористости и проницаемости РСНК приводит к значительному увеличению размера пор получаемых материалов до 5-10 мкм.
В ходе реакционного спекания нитрида кремния протекает реакция
3Si+2N2=Si3N4, (1)
которая сопровождается увеличением объема и массы твердой фазы, что ведет к уменьшению пористости, размера пор и проницаемости.
Однако этот способ не дает возможности получить сиалон.
Известно, что пористые материалы из сиалона с пористостью 60-80% получают отжигом в азоте пористых заготовок из смеси кремния с добавками Al2O3 и AlN сначала при температурах 1300-1400oС, а затем при температурах 1500-1600oС [2].
Недостатком этого способа является то, что размеры пор получаемого материала велики - порядка 50-100 мкм.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения пористого материала, который включает смешивание глинистого и углеродного компонентов, формование из смеси материала или изделия и последующий отжиг в атмосфере азота при температуре 1400-1450oС в течение 9-25 ч [3].
По этому способу получают пористый промежуточный продукт, который легко можно перевести в порошок раздавливанием. Размер пор промежуточного продукта не менее 50 мкм (до 1-5 мм в зависимости от размера применяемых опилок), что и обеспечивает легкость удаления образующихся газов и насыщения азотом. Согласно известному способу для получения пористых цилиндров из сиалона формование ведут как вручную (в частности, в примере 1 смесь глины, углерода и опилок формуется в цилиндры при добавлении воды вручную), так и при давлении прессования 800 кг/см2 (пример 14).
Сиалоновый материал, получаемый по способу-прототипу, на промежуточной стадии имеет такие недостатки, как низкая прочность и крупный размер пор, поэтому он не пригоден для применения в качестве мембранного материала.
Заявляемый способ обеспечивает получение прочного пористого сиалонового мембранного материала с размером пор порядка 1 мкм при повышенной проницаемости по сравнению с материалами-аналогами с близкими размерами пор. Это достигается выбором состава смесей, условий помола, смешивания и формования материала, временем обжига в атмосфере азота.
Заявляемый способ получения пористого материала, включающий смешивание глинистого и углеродного компонентов, формование из смеси материала или изделия и последующий отжиг в атмосфере азота при температуре 1400-1450oС, отличается тем, что формование ведут прессованием при давлении 25-100 МПа, отжиг проводят в течение не менее 3-4 ч при следующем соотношении компонентов в смеси, мас. %:
Глинистый компонент - 76-82
Углеродный компонент - 18-24
с получением материала с размером пор менее 1,1 мкм.
При этом в качестве глинистого компонента берут каолин, в качестве углеродного - графит.
Синтез сиалона сопровождается реакциями с отрицательными массовыми и объемными эффектами.
Высокие прочность и проницаемость материала в предлагаемом способе достигаются потому, что в данной реакционной системе происходит реакция

Последняя реакция является наиболее оптимальной в смысле получения максимальных отрицательных объемных эффектов при минимальном введении углерода по сравнению с простым выжиганием углеродных добавок в способе-прототипе (табл. 1).
В табл. 1 внесены также данные карботермического восстановления - азотирования оксида кремния согласно реакции
3SiO2+6C+2N2=Si3N4+6CO (3)
которая приводит к уменьшению массы на 44,4% и объема на 60,8%, но требует введения в исходную смесь очень большого количества (37,4 мас.%) углерода, что препятствует получению прочного материала.
Мембранный материал, полученный по новому способу, выполнен из сиалона и имеет высокие химическую стойкость, а также низкую теплопроводность и высокие пористость и термопрочность, что обеспечивает возможность применения его в качестве эффективного теплоизолятора.
Способ иллюстрируется примерами конкретного исполнения.
Использовали каолин Кыштымского месторождения, в состав которого входят SiO2 45,39%; Al2O3 36,39% и примеси Fe2O3 1,03%; TiO2 0,49%; CaO 0,89%; MgO 0,53%; K2O 1,30%; Na2O 0,1%. По составу каолин близок к молекулярной формуле (2SiO2•Al2O3), при отжиге он разлагается на муллит и окись кремния, конечным продуктом при карбонитридации данного состава должен быть в основном Si3Al3O3N5 согласно уравнению реакции (2).
Каолин предварительно отжигали при температуре 800oС, так как эта температура соответствует практически полному удалению химически связанной воды из каолинита (без диффузионного "загрубления" его субмикронных частиц) и возникновению в объеме зерна высокоактивного метакаолинита.
В качестве восстановителя использовали коллоидальный графит С-1. Смеси каолина и графита в количестве от 12 до 28 мас.% готовили смешиванием всухую в планетарной мельнице "Санд" при скорости вращения 180 и 340 об/мин в течение 30-60 мин.
В опытах использовали прессовки диаметром 50 мм и высотой 4-5 мм, отжиг вели в атмосфере азота и диссоциированного аммиака. Прессовали в стальной пресс-форме при давлении 100, 50 и 25 МПа с технологической связкой 5% водного раствора поливинилового спирта (ПВС) в количестве 1-1,5 мл на 10 г смеси.
Для отжига использовали непроточную печь с графитовым нагревателем объемом наполнения газом 100 л. Печь предварительно вакуумировали до давления 10-1 мм ртутного столба и заполняли технически чистым азотом. Температуру измеряли пирометром с точностью +20oС.
Нагрев вели со скоростями в интервале 20-1000oС - 16-17 град/мин, в интервале 1000-1400oС - 3-7 град/мин. Контролировали изменения массы, размеров образцов, фазового состава. Газопроницаемость определяли согласно ГОСТ 25283-82, максимальный и средний размер пор - по давлению вытеснения жидкости из пор газом по ГОСТ 26849-86. В качестве жидкостей использовали этиловый спирт, в качестве вытесняющего газа - азот.
В табл. 2 обобщены результаты исследований мембранных материалов из сиалонов, для сравнения часть образцов спекали на воздухе (табл. 3).
В ходе термоообработки таблеток наблюдается усадка, причем при ее увеличении падает проницаемость. Пористость, проницаемость и размеры пор, материалов, получаемых данным методом, могут регулироваться в небольших пределах давлением прессования, скоростью нагрева в диапазоне 1000-1400oС и содержанием углерода в исходной смеси. Полученные материалы имеют следующие свойства: состав (основные фазы) - β-сиалон (Si3Al3O3N5), α-Al2O3; газопроницаемость - 0,2-0,8 мкм2 размер пор: по методу пузырьков ГОСТ 26849-86 - около 1 мкм; по данным ртутной порометрии - около 0,8 мкм.
Недостаточная выдержка (менее 3 ч) при температуре синтеза приводит к неполному протеканию реакций, при этом низкие значения проницаемости, убыль массы. Отжиг свыше 4-х часов приводит к увеличению Dm, проницаемости и размера пор (примеры 4' и 11').
Оптимальное содержание углерода 18-24 мас. %. При меньшем содержании углерода в исходной шихте материал состоит в основном из Х-фазы и характеризуется малой пористостью и проницаемостью. При большем содержании материал состоит из 15R-сиалона и имеет слишком большую пористость и низкую прочность (пример 12).
Подготовка смеси (помол) гарантирует достижение усадки при реакционном спекании. Недостаточный помол приводит к недостаточной усадке и увеличению размера пор, увеличению пористости и снижению прочности (см. табл.2).
При формовании смесь прессуют под давлением. При ручном прессовании (см. пример 7, табл. 2) получается материал со средним диаметром пор 1,8 мкм.
Применение в качестве среды спекания диссоциированного аммиака приводит к образованию на поверхности образцов при температурах обжига жидкой пленки, препятствующей насыщению материала азотом и получению требуемого материала. Спекание на воздухе приводит к получению не сиалонов, а оксидной керамики. Как видно из сравнения табл. 2 и 3, материалы, получаемые предлагаемым способом, при одном и том же размере пор (1 мкм) имеют преимущество в проницаемости.
Достоинства сиалонового материала согласно предлагаемому способу:
- малый размер пор 0,8-1,2 мкм;
- относительно высокая газопроницаемость (К) 0,04-0,08 мкм2;
- высокая пористость (П) 50-65%;
- низкий коэффициент термического расширения и высокая стойкость к термическим ударам;
- низкая теплопроводность (хорошие теплоизолирующие свойства).
Эти сиалоновые материалы могут быть использованы в качестве мембранных и теплоизолирующих и имеют преимущества перед аналогичными оксидными материалами в условиях резких теплосмен.
Источники информации, принятые во внимание
1. Анциферов В.Н., Гилев В.Г. Керамические мембраны из реакционно-спеченного нитрида кремния на нитридной и оксидной подложках // Огнеупоры и техническая керамика. 1998. 12. С.9-12.
2. Анциферов В.Н., Гилев В.Г., Ланин А.Г., Якушев P.M. Особенности получения высокопористых материалов из нитрида кремния, оксинитрида кремния и сиалонов // Огнеупоры и техническая керамика, 1996. 11. С.8-13.
3. Европейский патент 0023869, кл. С 04 В 35/58, 11.02.1981.
Формула изобретения: 1. Способ получения пористого материала, включающий смешивание глинистого и углеродного компонентов, формование из смеси материала или изделия и последующий отжиг в атмосфере азота при 1400-1450oС, отличающийся тем, что формование ведут прессованием при давлении 25-100 МПа, отжиг проводят в течение 3-4 ч, при соотношении компонентов смеси, мас.%:
Глинистый компонент - 76-82
Углеродный компонент - 18-24
с получением материала с размером пор менее 1,1 мкм.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве глинистого компонента берут каолин, в качестве углеродного - графит.