RU2035433C1

RU2035433C1 - Method for production of alumotitanate ceramics

Info

Publication number: RU2035433C1
Authority: RU
Inventors: Г.П. Швейкин; Б.Н. Дудкин; Т.Л. Леканова; О.А. Севбо
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Керамтех"
Priority date: 1992-02-03
Filing date: 1992-02-03
Publication date: 1995-05-20

Abstract

FIELD: production of ceramic materials. SUBSTANCE: charge is inoculated with lower titanium oxides wherein the titanium oxidation degree is below four, the specimens are burned either first in vacuum then in the air or in the air alone. The bending strength of produced material is 36-55 MPa, coefficient of linear heat expansion within 293 and 1273 K 2,2-2,3 K^-1. EFFECT: reduced coefficient of linear heat expansion with retained strength characteristics. 1 tbl

Description

Изобретение относится к керамическим материалам многофункционального назначения, в частности к получению алюмотитанатной керамики с низким коэффициентом термического линейного расширения (КТЛР), используемой как конструкционный, огнеупорный и теплоизоляционный материал при работе в агрессивных средах при повышенных температурах и т.д. The invention relates to ceramic materials for multifunctional purposes, in particular to the production of aluminotitanate ceramics with a low coefficient of thermal linear expansion (KTLR), used as a structural, refractory and heat-insulating material when working in aggressive environments at elevated temperatures, etc.

Алюмотитанатную керамику, как правило, получают при спекании компактов из порошка алюмотитаната, полученного предварительно путем твердофазного синтеза из оксидов титана (IV) и алюминия (I). Для улучшения процесса спекания используется прием введения добавок в виде оксидов, например MgO, SiO₂, B₂O₃, что приводит к понижению температуры спекания и упрочнению керамики за счет образования твердых растворов на границах керамического зерна.Aluminotitanate ceramics, as a rule, are obtained by sintering compacts from aluminotitanate powder obtained previously by solid-phase synthesis from titanium (IV) and aluminum (I) oxides. To improve the sintering process, the method of introducing additives in the form of oxides, for example MgO, SiO ₂ , B ₂ O ₃ , is used, which leads to a decrease in the sintering temperature and hardening of ceramics due to the formation of solid solutions at the boundaries of ceramic grains.

Однако в этом случае в керамическом материале появляются посторонние фазы, что приводит к ухудшению величины КТЛР керамики. However, in this case, extraneous phases appear in the ceramic material, which leads to a deterioration in the thermal expansion coefficient of the ceramic.

Изучено также и влияние избыточного оксида алюминия (молярное отношение Al₂O₃/ТiO₂ от 1,0 до 1,5) на микроструктуру, механические и тепловые свойства керамики из титаната алюминия [2]
Недостатком известного способа является высокий КТЛР.The effect of excess alumina (molar ratio Al ₂ O ₃ / TiO ₂ from 1.0 to 1.5) on the microstructure, mechanical and thermal properties of ceramics made of aluminum titanate was also studied [2]
The disadvantage of this method is the high KTLR.

Наиболее близким к предлагаемому способу получения алюмотитанатной керамики является способ, при котором в шихту вводят добавки оксидов, в которых степень окисления металла отлична от степеней окисления алюминия и титана, например оксид магния [3]
Известный способ имеет следующие основные недостатки: вводимая оксидная добавка не является изоморфной алюмотитанату, и поэтому ее влияние сказывается, в основном, в области межзеренных границ посредством образования твердых растворов. Вновь образующиеся фазы представляют собой гетерогенные включения в керамическом материале. Они способны повышать его прочность на изгиб, но всегда ухудшают величину КТЛР, что сужает область возможного применения керамики.Closest to the proposed method for producing aluminotitanate ceramics is a method in which additives of oxides are introduced into the charge, in which the oxidation state of the metal is different from the oxidation states of aluminum and titanium, for example magnesium oxide [3]
The known method has the following main disadvantages: the introduced oxide additive is not isomorphic to aluminotitanate, and therefore its effect is mainly affected in the area of grain boundaries through the formation of solid solutions. The newly formed phases are heterogeneous inclusions in the ceramic material. They are able to increase its bending strength, but they always worsen the CTLR value, which narrows the scope of possible ceramics.

Задачей изобретения является разработка способа получения алюмотитанатной керамики, который позволил бы уменьшить КТЛР при сохранении прочностных (на изгиб) свойств. The objective of the invention is to develop a method for producing aluminotitanate ceramics, which would reduce CTRL while maintaining strength (bending) properties.

В предлагаемую шихту в качестве добавок вводят низшие оксиды титана со степенью окисления, отличной от четырех, обжигают образцы либо предварительно в вакууме, а затем на воздухе, либо только на воздухе. Lower titanium oxides with an oxidation degree different from four are added as additives to the proposed charge, the samples are burned either preliminary in vacuum, and then in air, or only in air.

Характерным для предлагаемого способа является то, что в объеме керамического зерна никаких процессов с участием добавок не протекает. Введение добавок низших оксидов может быть осуществлено как по отдельности, так и в различных количественных сочетаниях их. За счет искусственного создания вакансий в формирующейся решетке алюмотитаната значительно ускоряется процесс твердофазного синтеза, протекающий в объеме керамического зерна одновременно с процессом спекания образующегося алюмотитаната. A characteristic feature of the proposed method is that no processes involving additives occur in the volume of ceramic grain. The introduction of additives of lower oxides can be carried out both individually and in various quantitative combinations of them. Due to the artificial creation of vacancies in the formed lattice of aluminotitanate, the process of solid-phase synthesis, which proceeds in the volume of ceramic grain simultaneously with the sintering process of the formed aluminotitanate, is significantly accelerated.

Дефектность решетки приводит к концентрации вакансий на поверхности керамических зерен, что облегчает процессы массопереноса. Искусственное создание вакансий в решетке формирующегося алюмотитаната позволяет уменьшить время термообработки керамического материала, исключить введение посторонних фаз в его состав и тем самым получить материал с высокими прочностными и термическими свойствами. The defectiveness of the lattice leads to the concentration of vacancies on the surface of ceramic grains, which facilitates mass transfer processes. The artificial creation of vacancies in the lattice of the formed aluminotitanate allows to reduce the heat treatment time of the ceramic material, to exclude the introduction of extraneous phases into its composition, and thereby to obtain a material with high strength and thermal properties.

Предлагаемый способ улучшения керамического материала из алюмотитаната реализуется следующим образом. The proposed method for improving the ceramic material from aluminotitanate is implemented as follows.

В качестве исходных оксидов титана (IV) и алюминия могут служить реактивные вещества с различной степенью чистоты. Частичное восстановление диоксида титана с целью реализации степеней окисления на атомах титана III, II, О можно проводить термическим восстановлением оксида титана (IV) в условиях вакуума при температурах 1673-1873 К с помощью мелкодисперсного порошка металлического титана или углерода. As the initial oxides of titanium (IV) and aluminum, reactive substances with various degrees of purity can serve. Partial reduction of titanium dioxide in order to realize oxidation states on titanium atoms III, II, O can be carried out by thermal reduction of titanium oxide (IV) under vacuum at temperatures of 1673-1873 K using a finely divided titanium or carbon metal powder.

Определенное расчетное количество низших оксидов титана вводится в шихту для получения оптимальной концентрации вакансий, которая определяется получающимся индексом при кислороде в оксиде титана. Реакционное спекание проводят при температуре 1773 К в условиях вакуума или на воздухе. A certain calculated amount of lower titanium oxides is introduced into the mixture to obtain the optimal concentration of vacancies, which is determined by the resulting index for oxygen in titanium oxide. Reaction sintering is carried out at a temperature of 1773 K under vacuum or in air.

Предлагаемый способ может быть реализован в альтернативном варианте: в шихту из оксидов титана (IV) и алюминия в водят расчетное необходимое для восстановления в требуемой мере оксида титана количество углерода. Реакционное спекание проводят при температуре 1773 К предварительно в условиях вакуума, а затем на воздухе. The proposed method can be implemented in an alternative embodiment: in the charge of titanium (IV) oxides and aluminum, the calculated amount of carbon necessary to restore the titanium oxide to the required degree is taken. The reaction sintering is carried out at a temperature of 1773 K previously under vacuum and then in air.

П р и м е р 1. Образцы размером 10х10х85 мм формуют методом полусухого прессования при удельном давлении 50 МПа. Шихту получают путем совместного помола 43,7 мас. оксида титана (IV), 55,7 мас. оксида алюминия и 0,6 мас. активированного угля, в мельнице с шарами, выполненными из ультрафарфора при соотношении материала и шаров, равном 1:3. В качестве дисперсионной среды используют дистиллированную воду или этиловый спирт. После обжига образцов в условиях вакуума и на воздухе при 1773 К по 2 ч и последующей механической обработке их прочность на изгиб, при трехточечном способе определения составила 20 МПа, КТЛР составил 2,0 ˙ 10^-6 К-1 в интервале 293-1273 К (см. таблицу).PRI me R 1. Samples of size 10x10x85 mm are formed by semi-dry pressing at a specific pressure of 50 MPa. The mixture is obtained by co-grinding 43.7 wt. titanium (IV) oxide, 55.7 wt. aluminum oxide and 0.6 wt. activated carbon in a mill with balls made of ultrafarfor with a ratio of material and balls equal to 1: 3. As a dispersion medium, distilled water or ethyl alcohol is used. After firing the samples in vacuum and in air at 1773 K for 2 h and subsequent machining, their bending strength, with a three-point method of determination, was 20 MPa, CTLR was 2.0 ˙ 10 ^-6 K-1 in the range 293-1273 K (see table).

П р и м е р 2. По технологии, описанной в примере 1, изготавливают образцы следующего состава: 56,4 мас. оксида алюминия и 43,6 мас. предварительно восстановленного в условиях вакуума оксида титана с индексом при кислороде 1,93. После обжига на воздухе при 1773 К 3 ч образцы имеют прочность 55 МПа и КТЛР составляет 2,2 ˙ 10^-6 К^-1 в интервале 293-1273 К (см. таблицу).PRI me R 2. According to the technology described in example 1, produce samples of the following composition: 56.4 wt. aluminum oxide and 43.6 wt. pre-reduced under vacuum conditions titanium oxide with an index at oxygen of 1.93. After firing in air at 1773 K for 3 hours, the samples have a strength of 55 MPa and the CTLR is 2.2 ˙ 10 ^-6 K ^-1 in the range 293-1273 K (see table).

П р и м е р 3. По технологии, описанной в примере 1, изготавливают образцы следующего состава: 56,6 мас. оксида алюминия, 39,9 мас. оксида титана (IV) и 3,5 мас. оксида титана (II). После обжига при 1773 К 3 ч и механической обработке образцы имеют прочность на изгиб 36 МПа, КТЛР составляет 2,3 ˙ 10^-6 К^-1 при нагреве до 1273 К (см. таблицу).PRI me R 3. According to the technology described in example 1, make samples of the following composition: 56.6 wt. aluminum oxide, 39.9 wt. titanium (IV) oxide and 3.5 wt. titanium oxide (II). After firing at 1773 K for 3 hours and machining, the samples have a bending strength of 36 MPa, the CTLR is 2.3 ˙ 10 ^-6 K ^-1 when heated to 1273 K (see table).

П р и м е р 4. По технологии, описанной в примере 1, изготавливают образцы следующего состава: 56,6 мас. оксида алюминия, 42,1 мас оксида титана (IV) и 1,3 мас. металлического титана. После обжига при 1773 Е, 3 ч и механической обработке образцы имеют прочность на изгиб 20 МПа, КТЛР составил 2,0 ˙ 10^-6 К^-1 в интервале температур 293-1273 К (см. таблицу).PRI me R 4. According to the technology described in example 1, make samples of the following composition: 56.6 wt. alumina, 42.1 wt. titanium oxide (IV) and 1.3 wt. titanium metal. After firing at 1773 Е for 3 h and machining, the samples have a bending strength of 20 MPa, the CTLR was 2.0 ˙ 10 ^- 6 K ^-1 in the temperature range 293-1273 K (see table).

Из полученных результатов можно сделать вывод: самые лучшие термические и прочностные свойства имеет керамический материал в примерах 2,3 т.е. когда в шихту вводят оксиды титаната со степенью окисления, отличной от четырех. From the obtained results we can conclude: the best thermal and strength properties have a ceramic material in examples 2,3 i.e. when titanate oxides with an oxidation state other than four are introduced into the charge.

Claims

METHOD FOR PRODUCING ALUMOTITANATE CERAMICS by preparing a mixture from a mixture of aluminum and titanium oxides, molding and firing in air, characterized in that at least part of the titanium oxide is introduced into the mixture with a degree of titanium oxidation of less than four.