Ударостійка кераміка на основі додекабориду алюмінію

Реферат: Ударостійка кераміка на основі додекабориду алюмінію АlВ12 як добавку до основної фази містить нітрид алюмінію з синтезованої суміші. При цьому використовуються вихідні субмікронні порошки з середнім розміром частинок 120 нм. UA 107259 U (12) UA 107259 U UA 107259 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до порошкової металургії, композиційних матеріалів і може бути перспективною для використання як конструкційна кераміка, замісник алмазу в системах шліфування та тонкого полірування, матеріал для виготовлення сопел розпилювачів фарб, складова в композиційних пристроях ударостійкого захисту техніки та особового складу. Поведінка порошку додекабориду алюмінію АlВ 12 з розмірами частинок 24 мкм при гарячому пресуванні під тиском до 30 МПа подібна до такої для випадку сполуки з високим ступенем ковалентності - карбіду кремнію SiC. Встановлено, що при гарячому пресуванні SiC під тиском до 60 МПа та 0,85Тпл. не можливо отримати матеріал з пористістю менше, ніж 16 % (Бориды алюминия / Кислый П.С., Неронов В.А., Прихна Т.А., Бевза Ю.В. - Киев, Наук, думка, 1990. - 192 с). Там же (с. 154-161) було досліджено кінетику ущільнення порошку АlВ12 (площа 2 поверхні 6,17 м /г) під тиском до 30 МПа. Показано, що параметри ущільнення суттєво залежать від температури та тиску: за даного тиску гарячого пресування неможливо отримати компактний матеріал навіть при температурі 1800 °C, що складає 0,95 Тпл. Виготовлення керамічних виробів гарячим пресуванням під тиском більше, ніж 60 МПа можливе, але пов'язане з великими труднощами через руйнування графівтових пресформ. Задачею корисної моделі є отримання щільного матеріалу питомою вагою не більше ніж 3 2,8 г/см і мікротвердістю не нижче ніж 20 ГПа, який може бути використаний як конструкційна та ударостійка кераміка. Поставлена задача вирішується тим, що ударостійка кераміка, яка має властивості в межах поставленої задачі, може бути отримана на основі додекабориду алюмінію. Як добавку до основної фази додають нітрид алюмінію з синтезованої суміші при наступному співвідношенні інгредієнтів (мас. %): нітрид алюмінію - 1-25; додекаборид алюмінію - решта; при цьому використовують вихідні субмікронні порошки з середнім розміром частинок 120 нм. Для отримання високощільних виробів з АlВ12 необхідна активація ущільнення для зниження тиску гарячого пресування. Вона може бути здійснена шляхом використання дрібних (субмікронних) порошків з розмірами частинок набагато меншими, ніж 1 мкм. Матеріал, що заявляється, отримували в термічною обробкою у вакуумі суміші порошків алюмінію та гексагонального нітриду бору, які беруться у співвідношеннях, що відповідають реакції: 13Al+12BN=AlB12+12AlN. В результаті синтезу отримують суміш порошків, що містить 25 % мас. додекабориду алюмінію та 75 % мас. нітриду алюмінію. Виділення однофазного порошку додекабориду алюмінію АlВ 12 відбувається шляхом обробки післяреакційної суміші водним розчином лугу, що розчиняє інші продукти реакції. Використання добавки нітриду алюмінію до основної фази АlВ12 методологічно цілком виправдано, адже дозволяє отримувати практично будь-який склад композиційної кераміки AlB12-AlN, що містить не більше, ніж 75 % AlN, шляхом додавання в післяреакційну суміш однофазного додекабориду алюмінію. Використання добавки нітриду алюмінію з післяреакційної суміші збільшує вихід придатного за реакцією та зменшує собівартість матеріалу за рахунок виключення стадій хімічної обробки частини синтезованої суміші. За умови проведення синтезу у вакуумі досягається необхідна концентрація атомів алюмінію у газовій фазі, що призводить до багатократного зростання кількості зародкових центрів утворення продуктів реакції, а зростанню їх розмірів перешкоджають частинки іншої фази. Отриманий таким чином порошок АlВ12 має середній розмір частинок близько 120 нм, що 2 підтверджується його площею питомої поверхні (15 м /г) та даними електронної мікроскопії (ТЕМ). Фаза нітриду алюмінію має розмір частинок ще менший, ніж основна фаза АlВ 12, адже зародків його в ізольованому реакційному середовищі в 12 разів більше, ніж зародків АlВ12. Такий гранулометричний склад шихти дозволяє активувати процес гарячого пресування і отримати вироби високої щільності з лінійними розмірами до 100 мм та товщиною до 11 мм з властивостями згідно з параметрами поставленої задачі. Для випробувань матеріалів ударостійкої кераміки різного складу за механічними властивостями суміші додекабориду алюмінію та нітриду алюмінію піддають гарячому пресуванню за температур 1800-1870 °C та під тиском 30 МПа. Нагрівдо температури пресування проводять зі швидкістю 100-150 °C/хв., ізотермічна витримка складає 10-15 хв. Досліджували чотири склади ударостійкої кераміки, в тому числі з різними розмірами зразків, які одержували таким чином. Приклад 1. Суміш порошків додекабориду та нітриду алюмінію, що складається з 25 % мас. АlВ12 та 75 % мас. AlN загальною масою 20 г змішують у кульовому млині протягом 4 год. в середовищі ацетону. Суміш висушують в сушильній шафі, після чого розділяють на чотири 1 UA 107259 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 частини та завантажують їх у графітову пресформу. Робочі поверхні матриці та пуансонів попередньо змащують нітридом бору. Нагрів до температури 1850 °C проводять за 25 хв., витримка - 10 хв. під тиском 30 МПа. Твердість за Вікерсом при навантаженні 10 Н становила 3 16-17 ГПа, густина 2,99-3,01 г/см . Приклад 2. Суміш порошків додекабориду та нітриду алюмінію, що складається з 50 % мас. АlВ12 та 50 % мас. AlN загальною масою 20 г змішують у кульовому млині протягом 4 год. в середовищі ацетону. Суміш висушують в сушильній шафі, після чого розділяють на чотири частини та завантажують їх у графітову пресформу. Робочі поверхні матриці та пуансонів попередньо змащують нітридом бору. Нагрів до температури 1820 °C проводять за 20 хв., витримка - 15 хв. під тиском 30 МПа. Твердість за Вікерсом при навантаженні 10 Н становила 3 17-18 ГПа, густина 2,78-2,80 г/см . Приклад 3. Суміш порошків додекабориду та нітриду алюмінію, що складається з 75 % мас. АlВ12 та 25 % мас. AlN загальною масою 20 г змішують у кульовому млині протягом 4 год. в середовищі ацетону. Суміш висушують в сушильній шафі, після чого розділяють на чотири частини та завантажують їх у графітову пресформу. Робочі поверхні матриці та пуансонів попередньо змащують нітридом бору. Нагрів до температури 1820 °C проводять за 20 хв, витримка - 15 хв під тиском 30 МПа. Твердість за Вікерсом при навантаженні 10 Н становила 193 20 ГПа, густина 2,64-2,65 г/см . Приклад 4. Суміш порошків додекабориду та нітриду алюмінію, що складається з 99 % мас. АlВ12 та 1 % мас. AlN загальною масою 20 г змішують у кульовому млині протягом 4 год. в середовищі ацетону. Суміш висушують в сушильній шафі, після чого розділяють на чотири частини та завантажують їх у графітову пресформу. Робочі поверхні матриці та пуансонів попередньо змащують нітридом бору. Нагрів до температури 1870 °C проводять за 25 хв., витримка - 15 хв під тиском 30 МПа. Твердість за Вікерсом при навантаженні 10 Н становила 213 22 ГПа, густина 2,51-2,55 г/см . Приклад 5. Суміш порошків додекабориду та нітриду алюмінію, що складається з 99 % мас. АlВ12 та 1 % мас. AlN загальною масою 110 г змішують у кульовому млині протягом 4 год. в середовищі ацетону. Суміш висушують в сушильній шафі, після чого розділяють на чотири частини та завантажують їх у графітову пресформу. Робочі поверхні матриці та пуансонів попередньо змащують нітридом бору. Нагрів до температури 1850 °C проводять за 25 хв., витримка - 15 хв. під тиском 30 МПа. Твердість за Вікерсом при навантаженні 10 Н становила 3 21,4-21,7 ГПа, густина 2,52 г/см . Приклад 6. Суміш порошків додекабориду та нітриду алюмінію, що складається з 75 % мас. АlВ12 та 25 % мас. AlN загальною масою ПО г змішують у кульовому млині протягом 4 год. в середовищі ацетону. Суміш висушують в сушильній шафі, після чого розділяють на чотири частини та завантажують їх у графітову пресформу. Робочі поверхні матриці та пуансонів попередньо змащують нітридом бору. Нагрів до температури 1820 °C проводять за 25 хв., витримка - 15 хв. під тиском 30 МПа. Твердість за Вікерсом при навантаженні 10 Н становила 3 19,6-20,4 ГПа, густина 2,65 г/см . Результати досліджень механічних властивостей зразків ударостійкої кераміки, отриманих за прикладами 1-6 наведені в таблиці. З неї видно, що вимогам на відповідність поставленій задачі задовольняють зразки, що отримані в прикладах 3-6, в яких добавка нітриду алюмінію до основної фази додекабориду алюмінію не перевищує 25 % масових. Важливо відмітити, що високі значення твердості, границі міцності на згин, низька щільність були отримані також на зразках значного діаметру. Таблиця Склад та механічні властивості ударостійкої кераміки №№ прикладів 1 2 3 Склад матеріалів, Розміри Твердість, HV, % мас. Тпресування°С зразків, мм 10H, ГПа АlВ12 AlN 25 75 1850 16-17 3655 50 50 1820 17-18 3655 75 25 1820 36×5 × 5 19-20 σзгин, МПа 270-300 280-300 300-370 4 99 1 1870 3655 21-22 400-450 5 6 99 75 1 25 1850 1820 d=100 h=11 d=100 h=11 21,4-21,7 19,6-20,4 280-300 2 Щільність, γ, 3 г/см 2,99 3,01 2,78 2,80 2,64 2,65 2,51 2,55 2,52 2,65 UA 107259 U 5 Промислова придатність: розроблений матеріал на основі додекабориду алюмінію може бути використаний як конструкційна кераміка, замісник алмазу в системах шліфування і тонкого полірування, матеріал для виготовлення сопел розпилювачів фарб, складова в композиційних пристроях ударостійкого захисту техніки та особового складу. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Ударостійка кераміка на основі додекабориду алюмінію АlВ12, яка відрізняється тим, що як добавку до основної фази містить нітрид алюмінію з синтезованої суміші, при наступному співвідношенні інгредієнтів (мас. %): нітрид алюмінію 1-25, додекаборид алюмінію - решта; при цьому використовуються вихідні субмікронні порошки з середнім розміром частинок 120 нм. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3