Спосіб отримання керамічного матеріалу на основі дибориду алюмінію в умовах високого тиску

Спосіб отримання керамічного матеріалу на основі дибориду алюмінію в умовах високого тиску, який включає формування боридної маси, що складається з борвмісного компонента та алюмінію, нагрівання цієї маси до температури, достатньої для плавлення алюмінію і витримці при цій температурі, який відрізняється тим, що як борвмісний компонент використовують аморфний бор, одержання керамічного матеріалу проводять при тиску не менше 4,0 ГПа, при цьому додатково використовують капсулу із ніобію як захисне середовище, а процес проводять із використанням апарату високого тиску типу "тороїд-30". UA (21) a201103115 (22) 17.03.2011 (24) 10.02.2012 (46) 10.02.2012, Бюл.№ 3, 2012 р. (72) СТРАТІЙЧУК ДЕНИС АНАТОЛІЙОВИЧ, СМІРНОВА ТАМАРА ІВАНІВНА, ТОНКОШКУРА МИХАЙЛО ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ТУРКЕВИЧ ВОЛОДИМИР ЗИНОВІЙОВИЧ (73) ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ІМ. В.М. БАКУЛЯ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) A.Hall and J. Economy; The АІ(L) +АІВ12 ( АІВ2 Peritectic Transformation and Its Role In the Formation of High Aspect Ration AIB2 flakes; Journal of Phase Equilibria V. 21, N 1 (2000) pp. 63-69 J.M Mota, M.A Martinez, F Velasco, A.J Criado Preparation of aluminium boride by powder technology, Ceramics International, 30 (2), p. 301306, Jan 2004 US 20030008761 A1 09.06.2003 C2 2 (19) 1 3 риду алюмінію АlВ2, при якому, завдяки використанню тиску не менше 4,0 ГПа та проведенню процесу спікання в закритій капсулі з ніобію, значно знижено час спікання, зменшено кінцеву пористість матеріалу, а отриманий продукт є монофазним та дрібнозернистим. Поставлена задача вирішується тим, що у способі одержання кераміки дибориду алюмінію в умовах високих тисків, який передбачає формування боридної маси, що складається з борвмісного компонента та алюмінію, нагрівання цієї маси до температури, достатньої для плавлення алюмінію і витримці при цій температурі, згідно з винаходом, як борвмісний компонент використовують аморфний бор, одержання кераміки проводять при тиску не менше 4,0 ГПа, як захисне середовище використовують капсулу з ніобію, а процес проводять із використанням апарату високого тиску типу "тороїд-30". У запропонованому способі, завдяки використанню високого тиску для отримання кераміки дибориду алюмінію (АlВ2) та використанню захисної капсули з ніобію, з'являється можливість отримувати диборид алюмінію з низькою пористістю при одночасному зменшенні часу отримання більше, ніж у 800 разів і виключення необхідності використання пічного обладнання. Використання як вихідних компонентів лише бору та алюмінію дозволяє уникнути додаткових процедур із отримання вихідних боридних сплавів. Використання апарату високого тиску типу "тороїд-30" дозволяє отримувати безпосередньо після спікання керамічні зразки АlВ2. в яких вміст інших боридів алюмінію не перевищую 5 % мас. Слід зазначити, що використання тиску менше 4,0 ГПа не дозволяє проводити спікання в апараті високого тиску типу "тороїд-30", призводить до збільшення температури та часу спікання, а також до збільшення пористості та зменшення густини матеріалу при одночасному збільшенні вмісту інших боридів алюмінію. Як відомо, для алюмінію характерна лінійна залежність об'єму від температури, а застосування високого тиску призводить до незначного збільшення температури його плавлення. З літературних джерел відомо, що твердофазне спікання в системі А1-В практично відсутнє, а процеси хімічної взаємодії розпочинаються на поверхні зерен бору відразу із появою рідкої фази алюмінію. За умов використання високих тисків вдається значно зблизити контактні поверхні бор-алюміній, видалити з пустот залишки повітря і, таким чином, скоротити кількість утворених оксидних фаз. Також, для зменшення вмісту В2О3 та Al2О3 в кінцевому продукті, рекомендовано використовувати Аl-стружку, яка покрита захисним полімерним шаром. При цьому захисний шар видаляється шляхом розчинення в толуолі безпосередньо перед виготовленням Аl-В суміші. На фіг. представлено схему комірки високого тиску, в якій було проведено експерименти з отримання кераміки дибориду алюмінію (АlВ2) в умовах високих тисків. Суміш вихідних компонентів було розташовано в центральній частині (5), як тепло- та електроізолюючі торцеві диски використано кераміку з ZrO2 97456 4 (2, 3); нагрівання здійснено шляхом пропускання електричного струму через торцеві диски (1) та графітовий нагрівник (4). Для усунення контакту суміші з графітовим нагрівником використано капсулу та диски із ніобію (6, 7). Таким чином, вихідну реакційну суміш було ізольовано від матеріалу контейнера та в подальшому піддано дії високого тиску та температури. Приклади конкретної реалізації пропонованого способу. Приклад 1. Для приготування кераміки АlВ2 використано мікропорошок аморфного бору (99,9 %) H.S. Starck виробництва Німеччини (середній розмір зерен - 4 мкм) та стружку алюмінію (99,9 %) з розміром частинок 1-2 мм виробництва фірми Merck. Шляхом розчинення у толуолі було видалено захисну полімерну плівку з порошку алюмінію. Отриманий в такий спосіб очищений алюміній змішували в агатовій ступці з порошком бору в стехіометричному співвідношенні Аl+2В  АІВ2. Після цього суміш попередньо ущільнювалась у стальних пресформах, а отримані брикети розміщували в центральній частині апарата високого тиску типу "тороїд-30" (див. фіг.) в ніобієвій капсулі та спікали протягом 120 с при тиску 8 ГПа і температурі 1800 °C. Загартування зразків від високої до кімнатної температури здійснено шляхом різкого відключення нагріву при тиску 8 ГПа. Зразки отриманого керамічного матеріалу з дибориду алюмінію мали такі розміри: діаметр 8,0 мм, висота 4,0 мм. Приклад 2. Для приготування кераміки АlВ2 використано мікропорошок аморфного бору (99.9 %) H.S. Starck виробництва Німеччини (середній розмір зерен - 4 мкм) та стружку алюмінію (99,9 %) з розміром частинок 1-2 мм виробництва фірми Merck. Шляхом розчинення у толуолі було видалено захисну полімерну плівку з порошку алюмінію. Отриманий в такий спосіб очищений алюміній змішували в агатовій ступці з порошком бору в стехіометричному співвідношенні Аl+2В  АlВ2. Після цього суміш попередньо ущільнювалась у стальних пресформах, а отримані брикети розміщували в центральній частині апарата високого тиску типу "тороїд-30" (див. фіг.) в ніобієвій капсулі та спікали протягом 180 с при тиску 4 ГПа і температурі 1200 °C. Загартування зразків від високої до кімнатної температури здійснено шляхом різкого відключення нагріву при тиску 4 ГПа. Зразки отриманого керамічного матеріалу з дибориду алюмінію мали такі розміри: діаметр 8,0 мм, висота 4,0 мм. Після спікання отриманий продукт було вилучено механічним шляхом із ніобієвої капсули. Оптимальна для отримання даного матеріалу в зазначених умовах кількість алюмінію підібрана експериментальним шляхом та відповідає стехіометричному співвідношенню елементів в кінцевому продукті. Відхилення від наведених інтервалів призводить до суттєвих змін у фазовому складі отриманого бориду, а також умов його отримання. Також слід зазначити, що велика кількість алюмінію може призвести до нестабільної роботи апарату високого тиску та спричинити його раптову розгерметизацію. Завелика кількість бору менш 5 негативно впливає на процеси спікання під тиском, однак призводить до утворення продуктів із іншим стехіометричним складом. Значення високого тиску не менше 4 ГПа лімітовано конструкцією комірки високого тиску, яка не дозволяє проводити спікання при більш низьких тисках. Запропонована технологія дозволяє з високою ефективністю отримувати дрібнодисперсну кераміку дибориду алюмінію за невеликі проміжки часу, Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 97456 6 виключаючи при цьому використання пічного обладнання, технологій попереднього приготування Аl-В сплавів, а також проведення процесів спікання протягом тривалого часу. Отриманий в такий спосіб АlВ2 може бути використаний в подальшому як вихідний компонент при виготовленні жаростійкої кераміки та як джерело алюмінію при рідкофазному реакційному спіканні надтвердих композитів. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601