RU2641358C2 - Method of obtaining technological trainings of ceramic articles from silicon nitride - Google Patents
Method of obtaining technological trainings of ceramic articles from silicon nitride Download PDFInfo
- Publication number
- RU2641358C2 RU2641358C2 RU2016106010A RU2016106010A RU2641358C2 RU 2641358 C2 RU2641358 C2 RU 2641358C2 RU 2016106010 A RU2016106010 A RU 2016106010A RU 2016106010 A RU2016106010 A RU 2016106010A RU 2641358 C2 RU2641358 C2 RU 2641358C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon nitride
- sintering
- charge
- mixture
- mpa
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно получению изделий из материалов на основе нитрида кремния. Такие изделия в перспективе могут широко использоваться в авиационной и космической промышленности, а также ракетостроении и других отраслях современной техники и промышленности.The invention relates to the field of powder metallurgy, namely the production of products from materials based on silicon nitride. In the future, such products can be widely used in the aviation and space industries, as well as rocket science and other branches of modern technology and industry.
На сегодняшний день существует ряд технических решений, позволяющих получить керамические материалы и изделия на основе порошков нитрида кремния. Известен способ изготовления керамических изделий на основе тугоплавких нитридов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с целью получения изделий с низкой пористостью, однородным химическим составом и повышенной прочностью (Патент RU 1720258, C04B 35/58, опубликованный 10.05.1995). Данный способ подразумевает приготовление экзотермической порошкообразной смеси, содержащей один компонент из группы: металл III - VIII группы периодической системы элементов, бор, кремний, углерод, а также одно неорганическое соединение из группы: борид, силицид, нитрид переходных металлов IVБ - VIБ групп; карбид, нитрид, оксид, кремния; нитрид, оксид алюминия; нитрид бора, оксид элемента II - IV группы. Из полученной смеси формуют заготовку изделия, которую затем подвергают термической обработке в режиме горения в среде азотсодержащего газа при регулировании температуры от 2000 до 3000°С и давления от 0,1 до 1000 МПа. Пористость полученных изделий составляет 1 - 10%, прочность 25-40 кг/мм.2 Данный тип материала используют для получения жаропрочных диэлектрических изделий. К недостаткам данного метода можно отнести необходимость проведения термической обработки при очень высоких температурах, наличие пористости полученных заготовок, а также невысокую прочность на изгиб.To date, there are a number of technical solutions that allow to obtain ceramic materials and products based on silicon nitride powders. A known method of manufacturing ceramic products based on refractory nitrides by the method of self-propagating high temperature synthesis (SHS) in order to obtain products with low porosity, uniform chemical composition and high strength (Patent RU 1720258, C04B 35/58, published 05/10/1995). This method involves the preparation of an exothermic powder mixture containing one component from the group: Group III-VIII metal of the periodic system of elements, boron, silicon, carbon, as well as one inorganic compound from the group: boride, silicide, transition metal nitride of groups IVB-VIB; carbide, nitride, oxide, silicon; nitride, alumina; boron nitride, oxide of an element of group II - IV. A product blank is formed from the resulting mixture, which is then subjected to heat treatment in a combustion mode in a nitrogen-containing gas medium with temperature control from 2000 to 3000 ° C and pressure from 0.1 to 1000 MPa. The porosity of the obtained products is 1 - 10%, strength 25-40 kg / mm 2 This type of material is used to obtain heat-resistant dielectric products. The disadvantages of this method include the need for heat treatment at very high temperatures, the presence of porosity of the obtained workpieces, as well as low bending strength.
Известен способ получения изделий из тугоплавких соединений с использованием продуктов СВС-процесса (Патент RU 2028997, C04B 41/87, опубликованный 20.02.1995). Этот способ включает в себя следующие стадии: прессование порошка нитрида кремния, пропитку прессовки активирующими спекание оксидами и спекание в среде азота. Следует отметить, что заготовку размещают над слоем алюмосодержащей экзотермической смеси, смесь зажигают, а пропитку ведут за счет конденсации оксида алюминия из образующихся при горении газообразных продуктов в порах прессовки. По описанной технологии получают изделие из нитрида кремния с плотностью после спекания 2,47-2,49 г/см3 и усадкой при спекании 22,5-22,9%. К недостаткам метода можно отнести невозможность получения заготовок керамических изделий с высокими физико-механическими показателями, а также отсутствие сведений о диэлектрических характеристиках полученного по данной технологии материала, неоднородность пропитки, невысокое значение плотности, а также высокий показатель усадки полученного изделия.A known method of producing products from refractory compounds using the products of the SHS process (Patent RU 2028997, C04B 41/87, published 02.20.1995). This method includes the following steps: pressing the silicon nitride powder, impregnating the pressing with sintering activating oxides, and sintering in a nitrogen medium. It should be noted that the preform is placed over a layer of an aluminum-containing exothermic mixture, the mixture is ignited, and the impregnation is carried out by condensation of aluminum oxide from the gaseous products formed during combustion in the pores of the compact. According to the described technology, a product is obtained from silicon nitride with a density after sintering of 2.47-2.49 g / cm 3 and a shrinkage during sintering of 22.5-22.9%. The disadvantages of the method include the impossibility of obtaining ceramic workpieces with high physical and mechanical properties, as well as the lack of information about the dielectric characteristics of the material obtained by this technology, the heterogeneity of the impregnation, the low density value, as well as the high shrinkage rate of the obtained product.
Известен способ изготовления спеченных изделий на основе нитрида кремния (Патент RU 2458023, C04B 35/591, опубликованный 10.08.2012), включающий приготовление исходной шихты, содержащей порошки нитрида кремния и технологическую добавку, формование изделия, размещение его в реакторе, засыпку изделия слоем экзотермической смеси, содержащей нитрид кремния в количестве 45,0- 65,0 мас.% и кремний в количестве 35,0-55,0 мас.%, инициирование горения и термообработку в режиме горения под давлением азота от 5 до 35 МПа. В качестве технологической добавки в данном способе используют Al2O3, Y2O3, муллит, иттрий-алюминиевый гранат, алюминат кальция, алюмосиликат иттрия в количестве от 5 до 15 мас.%. В шихте используют порошки нитрида кремния, полученные методами плазмохимического, пирохимического или СВ синтеза с удельной поверхностью не менее 5 м2/г. В исходную шихту может быть дополнительно введено не более 30 мас.% порошка кремния. Экзотермическая смесь для засыпки может дополнительно содержать оксид металла II-III группы, преимущественно MgO, Y2O3, Al2O3, в количестве не более 15 мас.%. По описанной технологии получают изделия с повышенной механической прочностью при изгибе (150-600 МПа) и плотностью (85-97% от теоретической). Предлагаемая технология позволяет получать изделия на основе нитрида кремния, которые могут использоваться авиации. Недостатком является необходимость использования высоких температур порядка 1900°С, а также использование экзотермической смеси для засыпки спекаемых изделий.A known method of manufacturing sintered products based on silicon nitride (Patent RU 2458023, C04B 35/591, published 10.08.2012), including the preparation of the initial mixture containing powders of silicon nitride and technological additive, molding the product, placing it in the reactor, filling the product with an exothermic layer a mixture containing silicon nitride in an amount of 45.0-65.0 wt.% and silicon in an amount of 35.0-55.0 wt.%, the initiation of combustion and heat treatment in the combustion mode under nitrogen pressure from 5 to 35 MPa. As a technological additive in this method, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , mullite, yttrium-aluminum garnet, calcium aluminate, yttrium aluminosilicate in an amount of from 5 to 15 wt.% Are used. Silicon nitride powders obtained by plasma chemical, pyrochemical, or CB synthesis with a specific surface area of at least 5 m 2 / g are used in the charge. No more than 30 wt.% Silicon powder can be added to the initial charge. The exothermic mixture for filling may additionally contain a metal oxide of group II-III, mainly MgO, Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , in an amount of not more than 15 wt.%. Using the described technology, products with increased mechanical bending strength (150-600 MPa) and density (85-97% of theoretical) are obtained. The proposed technology allows to obtain products based on silicon nitride, which can be used by aviation. The disadvantage is the need to use high temperatures of about 1900 ° C, as well as the use of an exothermic mixture for backfilling sintered products.
Известен способ (патент RU 2443659, C04B 35/593, опубликованный 2012.27.02), заключающийся в подготовке шихты путем перемешивания нитрида кремния с добавками, по меньшей мере, оксида магния и оксида иттрия, совместно с механоактивацией, добавлении в шихту органического пластификатора и формовании заготовок для горячего прессования. Горячее прессование осуществляют при температуре 1600-1700°С, давлении прессования 25-35 МПа, выдержке в течение 10-20 мин. Механоактивацию проводят в планетарной центробежной мельнице при центробежном ускорении 10-20 g в течение 10-20 мин и соотношении массы шаров к массе смеси от 6:1 до 12:1, при этом шары и барабан планетарной мельницы выполнены из керамического материала. Данное изобретение позволяет получать керамику с однородной мелкозернистой структурой при уменьшении времени технологического цикла и снижении температуры горячего прессования. Недостатком предложенного метода является сложность и длительность технологического процесса.The known method (patent RU 2443659, C04B 35/593, published 2012.27.02), which consists in preparing the mixture by mixing silicon nitride with additives of at least magnesium oxide and yttrium oxide, together with mechanical activation, adding organic plasticizer to the mixture and molding blanks for hot pressing. Hot pressing is carried out at a temperature of 1600-1700 ° C, a pressing pressure of 25-35 MPa, exposure for 10-20 minutes. Mechanical activation is carried out in a planetary centrifugal mill with a centrifugal acceleration of 10-20 g for 10-20 minutes and the ratio of the mass of the balls to the mass of the mixture from 6: 1 to 12: 1, while the balls and the drum of the planetary mill are made of ceramic material. This invention allows to obtain ceramics with a homogeneous fine-grained structure while reducing the time of the technological cycle and lowering the temperature of hot pressing. The disadvantage of the proposed method is the complexity and duration of the process.
Известен способ получения керамического материала из нитрида кремния (патент BY №11890 от 30.04.2009), включающий формование исходной заготовки из порошка нитрида кремния, сжатие ее до необходимого давления, нагрев до температуры спекания, спекание под давлением, отключение нагрева, охлаждение образца и снижение давления до атмосферного. Описанная технология позволяет получить материал с относительной плотностью 90-100% и трещиностойкостью 3,1-5,4 МПа·м1/2. Недостатками данного метода является необходимость использования высоких температур 1750-2200ºС, ограничения по форме и размеру конечных изделий в виде таблеток небольшого диаметра 11 мм и высотой 5 мм. Кроме того, не установлены диэлектрические свойства готового материала.A known method of producing ceramic material from silicon nitride (patent BY No. 11890 dated 04/30/2009), including molding an initial preform from a powder of silicon nitride, compressing it to the required pressure, heating to sintering temperature, sintering under pressure, turning off heating, cooling the sample and reducing pressure to atmospheric. The described technology allows to obtain a material with a relative density of 90-100% and crack resistance of 3.1-5.4 MPa · m 1/2 . The disadvantages of this method are the need to use high temperatures of 1750-2200ºС, restrictions on the shape and size of the final products in the form of tablets of small diameter 11 mm and a height of 5 mm. In addition, the dielectric properties of the finished material have not been established.
Известен способ получения оболочки антенного обтекателя из реакционно-связанного нитрида кремния по патенту РФ 2453520 (C04B 35/591, C04B 41/84, опубликовано 20.06.2012), включающий подготовку термопластичного шликера из частиц кремния с ускорителем азотирования (Fe2O3, Ni или NiO) в количестве 0,1-3 мас.% со средним размером частиц порошковой смеси 1,5-3 мкм, формование заготовки методом горячего литья под давлением в термостатированную литьевую форму с двумя независимыми контурами нагрева и охлаждения пуансона и матрицы, азотирование заготовки и образцов-спутников в электровакуумной печи в интервале температур 1000-1500°С и при давлении азота 1,25 атм в течение 70 ч в засыпке из нитрида кремния по наружной поверхности. Полученный таким способом материал используется для изготовления качественных крупногабаритных оболочек антенных обтекателей из нитрида кремния с комплексом свойств, требуемых для радиопрозрачных материалов и изделий: высокая прочность, близкая к нулю пористость, стабильные в широком температурном интервале диэлектрические характеристики, в том числе низкие диэлектрические потери. Тангенс угла потерь полученного материала 2,0·10-3.A known method of obtaining a shell of an antenna cone from a reactively-bound silicon nitride according to the patent of the Russian Federation 2453520 (C04B 35/591, C04B 41/84, published 06/20/2012), comprising preparing a thermoplastic slip from silicon particles with a nitriding accelerator (Fe 2 O 3 , Ni or NiO) in an amount of 0.1-3 wt.% with an average particle size of the powder mixture of 1.5-3 microns, molding the billet by hot injection molding into a thermostatic injection mold with two independent heating and cooling loops of the punch and die, nitriding the billet and satellite samples in an electric vacuum furnace in the temperature range 1000-1500 ° C and at a nitrogen pressure of 1.25 atm for 70 hours in a bed of silicon nitride on the outer surface. The material obtained in this way is used to produce high-quality large-sized shells of silicon nitride antenna fairings with a set of properties required for radiolucent materials and products: high strength, close to zero porosity, dielectric characteristics stable over a wide temperature range, including low dielectric losses. The tangent of the loss angle of the resulting material is 2.0 · 10 -3 .
Недостатком является достаточно сложный и длительный технологический процесс и длительный процесс азотирования.The disadvantage is a rather complex and lengthy process and a long process of nitriding.
Известен способ изготовления изделий из нитрида кремния по патенту RU 2540674 (C04B 35/587, C04B 35/626, опубликовано 10.02.2015). Изобретение относится к производству термостойких изделий из керамических материалов, которые могут иметь электротехническое назначение. Технический результат данного изобретения - улучшение физико-механических свойств изделий и возможность изготовления изделий сложной формы. Композицию из порошка нитрида кремния с добавками оксидов металлов из группы: Al2O3, Y2O3, MgO, взятых в количествах Al2O3 2-6 мас.%, Y2O3 не более 9 мас.%, MgO не более 6 мас.% от массы шихты (общее количество добавок составляет не более 17% от массы шихты) подвергают механоактивации в среде этанола, высушивают смесь, проводят холодное одноосевое прессование в закрытой пресс-форме при давлении 50-100 МПа. Далее проводят на воздухе отжиг полученных заготовок в засыпке из нитрида кремния при температуре 600°С и подвергают заготовки спеканию в засыпке из нитрида кремния при 1700-1750°С и скорости нагрева 250 град/ч. Полученные изделия, как следует из приведенных примеров, обладают высокой прочностью (например, для состава, содержащего 87 мас.% Si3N4+7 мас.% Y2O3+6 мас.% Al2O3, прочность на изгиб составляет 2014 МПА), относительной плотностью 97%, низкой удельной электропроводностью - не более 10-12 Ом-1 см-1. Недостатком описанного способа является вероятность анизотропии свойств полученного материала в связи с использованием технологии одноосного прессования и необходимость проведения дополнительного отжига, а также отсутствие описания таких диэлектрических характеристик, как тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость для полученного по данной технологии материала.A known method of manufacturing products of silicon nitride according to patent RU 2540674 (C04B 35/587, C04B 35/626, published 02/10/2015). The invention relates to the production of heat-resistant products from ceramic materials, which may have an electrical purpose. The technical result of this invention is the improvement of physical and mechanical properties of products and the possibility of manufacturing products of complex shape. A composition of silicon nitride powder with additives of metal oxides from the group: Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , MgO, taken in amounts of Al 2 O 3 2-6 wt.%, Y 2 O 3 not more than 9 wt.%, MgO not more than 6 wt.% by weight of the charge (the total amount of additives is not more than 17% by weight of the charge) is subjected to mechanical activation in ethanol, the mixture is dried, cold uniaxial pressing is carried out in a closed mold at a pressure of 50-100 MPa. Then, the obtained preforms are annealed in air in a bed of silicon nitride at a temperature of 600 ° С and the blanks are sintered in a bed of silicon nitride at 1700-1750 ° С and a heating rate of 250 deg / h. The resulting products, as follows from the above examples, have high strength (for example, for a composition containing 87 wt.% Si 3 N 4 +7 wt.% Y 2 O 3 +6 wt.% Al 2 O 3 , the bending strength is 2014 MPA), with a relative density of 97%, low electrical conductivity - not more than 10-12 Ohm -1 cm -1 . The disadvantage of the described method is the probability of anisotropy of the properties of the obtained material in connection with the use of uniaxial pressing technology and the need for additional annealing, as well as the absence of a description of dielectric characteristics such as the dielectric loss tangent and permittivity for the material obtained by this technology.
Таким образом, из уровня техники известны дорогостоящие коммерческие способы получения керамических изделий на основе порошков нитрида кремния, такие как горячее изостатическое прессование ГИП и искровое плазменное спекание (SPS-sparkplasmasintering), позволяющие получить продукт с высокими физико-механическими свойствами и высокими показателями диэлектрических свойств, что препятствует использованию полученных материалов для радиотехнических целей, кроме того, использование этих способов связано со значительными ограничениями по форме и размеру конечных изделий. Методы реакционного связывания позволяют получить материал с приемлемыми диэлектрическими свойствами, но сравнительно невысокими механическими показателями.Thus, expensive commercial methods are known from the prior art for producing ceramic products based on silicon nitride powders, such as hot isostatic pressing of ISU and spark plasma sintering (SPS-sparkplasmasintering), which allows to obtain a product with high physicomechanical properties and high dielectric properties, which prevents the use of the obtained materials for radio engineering purposes, in addition, the use of these methods is associated with significant limitations in form and size a measure of the final products. Reaction bonding methods make it possible to obtain a material with acceptable dielectric properties, but relatively low mechanical indicators.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ, описывающий получение керамического материала на основе нитрида кремния с добавками оксидов алюминия и магния в суммарном количестве 10% от общего состава шихты, перемешивание в дисковой мельнице, сухое прессование и спекание шихты при температурах 1550-1650°С. Полученный в результате материал обладает диэлектрической проницаемостью 8.5, диэлектрические потери 0.003 при максимальной плотности в диапазоне 3,16 г/см3 и с пределом прочности при изгибе порядка 500 МПа. (интернет-источник http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0025541685902368).Closest to the claimed invention is a method that describes the preparation of a ceramic material based on silicon nitride with the addition of aluminum and magnesium oxides in a total amount of 10% of the total composition of the mixture, mixing in a disk mill, dry pressing and sintering of the mixture at temperatures of 1550-1650 ° C. The resulting material has a dielectric constant of 8.5, a dielectric loss of 0.003 at a maximum density in the range of 3.16 g / cm 3 and with a flexural strength of about 500 MPa. (online source http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0025541685902368).
Недостаток – достаточно высокая диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери.The disadvantage is a sufficiently high dielectric constant and dielectric loss.
Задачей, стоящей перед изобретением, является создание способа получения керамического материала на основе нитрида кремния свободного от недостатков прототипа.The challenge facing the invention is to create a method for producing a ceramic material based on silicon nitride free from the disadvantages of the prototype.
Технический результат:Technical result:
- получение заготовок сложной формы и большого размера за счет применения холодного изостатического прессования;- obtaining blanks of complex shape and large size through the use of cold isostatic pressing;
- достижение показателей диэлектрической проницаемости не более 7,1 при плотности изделий – не ниже 2,97 г/см3, тангенса угла диэлектрических потерь не более 1,4·10-3, предела прочности на изгиб не ниже 265 МПа, предела прочности на сжатие не ниже 2115 МПа, микротвердости не ниже 1375 HV, трещиностойкости не ниже 6,0 МПа·м1/2 за счет оптимизации режима спекания.- achievement of the dielectric constant of not more than 7.1 at a density of products not less than 2.97 g / cm 3 , the tangent of the dielectric loss angle of not more than 1.4 · 10 -3 , the ultimate strength in bending is not lower than 265 MPa, the ultimate strength is compression not lower than 2115 MPa, microhardness not lower than 1375 HV, fracture toughness not lower than 6.0 MPa · m 1/2 due to optimization of the sintering regime.
Решение поставленной задачи достигается предложенным способом, включающим подготовку шихты путем перемешивания в дисковой мельнице нитрида кремния с добавками оксидов алюминия, сухое прессование и спекание заготовки при температуре 1650°С, в который внесены следующие новые признаки:The solution to this problem is achieved by the proposed method, including the preparation of the mixture by mixing in a disk mill silicon nitride with the addition of aluminum oxides, dry pressing and sintering of the workpiece at a temperature of 1650 ° C, which introduced the following new features:
- в состав шихты дополнительно вводят оксид иттрия при соотношении 3:5 к оксиду алюминия, при этом в суммарном количестве оксид иттрия и оксид алюминия составляют 15% от общего количества шихты,- yttrium oxide is additionally introduced into the composition of the charge at a ratio of 3: 5 to alumina, while in the total amount, yttrium oxide and alumina comprise 15% of the total amount of charge,
- перемешивание осуществляют в течение 20 минут со скоростью 250 об/мин,- mixing is carried out for 20 minutes at a speed of 250 rpm,
- после перемешивания проводят компактирование полученной шихты в силиконовых эластичных пресс-формах методом холодного изостатического прессования при давлении в 200 МПа, время выдержки под давлением 90 сек,- after mixing, the resulting mixture is compacted in silicone elastic molds by cold isostatic pressing at a pressure of 200 MPa, the exposure time under pressure is 90 seconds,
- спекание производят в атмосфере азота при давлении 1 атм, скорость нагрева 525ºС/час и дальнейшей выдержкой в течение 1 часа при температуре 1650ºС.- sintering is carried out in a nitrogen atmosphere at a pressure of 1 atm, the heating rate of 525 ° C / hour and further exposure for 1 hour at a temperature of 1650 ° C.
Применение метода холодного изостатического прессования для компактирования приготовленной шихты позволяет получить заготовку сложной формы с однородным распределением свойств по объему. Спекание изделия в атмосфере азота при температуре 1650ºС и выдержке в течение часа позволяет обеспечить получение достаточно высокие прочностные показатели в сочетании с низкими диэлектрическими свойствами.The application of the cold isostatic pressing method for compacting the prepared mixture makes it possible to obtain a workpiece of complex shape with a uniform distribution of properties throughout the volume. Sintering the product in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1650 ° C and holding for an hour allows to obtain a sufficiently high strength characteristics in combination with low dielectric properties.
Предлагаемая совокупность состава и режимов получения керамического материала на основе нитрида кремния с заявленными свойствами не выявлена из уровня техники, что подтверждает соответствие условию «новизна» и изобретательский уровень.The proposed combination of composition and modes of obtaining ceramic material based on silicon nitride with the claimed properties is not identified from the prior art, which confirms compliance with the condition of "novelty" and inventive step.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими материалами.The invention is illustrated by graphic materials.
На фиг. 1 показано полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа изображение структуры керамического материала на основе нитрида кремния с размером структурных составляющих в среднем 300 нм.In FIG. Figure 1 shows a scanning electron microscope image of the structure of a ceramic material based on silicon nitride with an average structural size of 300 nm.
На фиг. 2 в таблице отображены результаты механических и диэлектрических испытаний образцов полученного керамического материала на основе нитрида кремния.In FIG. 2, the table shows the results of mechanical and dielectric tests of samples of the obtained ceramic material based on silicon nitride.
На фиг. 3 показана динамика зависимости коэффициента термического расширения полученного керамического материала на основе нитрида кремния от температуры.In FIG. Figure 3 shows the dynamics of the thermal expansion coefficient of the obtained ceramic material based on silicon nitride on temperature.
Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.
В качестве исходного сырья для получения керамического материала на основе нитрида кремния используют порошок нитрида кремния Si3N4. Состав шихты включает порошок нитрида кремния и оксидные добавки: оксид алюминия и оксид иттрия при соотношении 3:5 в суммарном количестве не более 15%. Компактирование полученной шихты осуществляют методом холодного изостатического прессования. Cпекание производят в атмосфере азота при давлении 1 атм со скоростью нагрева 525ºС/час и дальнейшей выдержкой в течение 1 часа при температуре 1650ºС.As a raw material for the preparation of a ceramic material based on silicon nitride, silicon nitride Si 3 N 4 powder is used. The composition of the charge includes silicon nitride powder and oxide additives: aluminum oxide and yttrium oxide at a ratio of 3: 5 in a total amount of not more than 15%. The resulting mixture is compacted by cold isostatic pressing. Sintering is carried out in a nitrogen atmosphere at a pressure of 1 atm with a heating rate of 525 ° C / hour and further exposure for 1 hour at a temperature of 1650 ° C.
Конкретный пример осуществления способаA specific example of the method
Для изготовления заготовок детали электротехнического назначения (колпак изолятора) готовили навеску суммарной массой 50 г, в которую входят 42,5 г порошка нитрида кремния производства Германии (Stark, GradeM11), полученного методом печного синтеза, с добавлением 4,68 г наноразмерного порошка Al2O3 (A16 SG) и 2,81 г субмикронного порошка Y2O3 (Stark, GradeB) (отношение Y2O3 к Al2O3 3:5). Суммарное содержание оксидных добавок не превышает 15%. Перемешивание порошков производили в дисковой мельнице RetschRS-200 в течение 20 минут со скоростью 250 об/мин. Полученную шихту компактировали в эластичных силиконовых пресс-формах в изостатическом прессе фирмы EPSICIP 400 - 200*1000 Y при комнатной температуре и давлении 200 МПа в течение 90 сек. Cпекание производили в высокотемпературной печи NaberthermVHT 8/22-GR в атмосфере азота при 1 атм и следующем температурном режиме:For the manufacture of workpieces, parts for electrical purposes (insulator cap) were prepared with a total weight of 50 g, which included 42.5 g of German silicon nitride powder (Stark, GradeM11) obtained by furnace synthesis, with the addition of 4.68 g of nanosized Al 2 powder O 3 (A16 SG) and 2.81 g of submicron powder Y 2 O 3 (Stark, GradeB) (ratio of Y 2 O 3 to Al 2 O 3 3: 5). The total content of oxide additives does not exceed 15%. Powder mixing was performed in a RetschRS-200 disc mill for 20 minutes at a speed of 250 rpm. The resulting mixture was compacted in elastic silicone molds in an isostatic press of the company EPSICIP 400 - 200 * 1000 Y at room temperature and a pressure of 200 MPa for 90 sec. Sintering was carried out in a high-temperature furnace NaberthermVHT 8/22-GR in a nitrogen atmosphere at 1 atm and the following temperature conditions:
1. Нагрев до 1650ºС в атмосфере азота, скорость нагрева 525ºС/час,1. Heating up to 1650ºС in a nitrogen atmosphere, heating rate 525ºС / hour,
2. Выдержка при 1650ºС в атмосфере азота, продолжительность 1 час,2. Exposure at 1650ºC in an atmosphere of nitrogen,
3. Остывание вместе с печью3. Cooling with the oven
Заготовка была разрезана на 8 образцов, каждый из которых был предварительно механически обработан на шлифовальном станке, после чего были проведены испытания физико-механических свойств, а также исследования структуры полученного материала. Контроль фазового и структурного состава керамического материала на основе нитрида кремния осуществляли с помощью растрового электронного микроскопа Quanta 600 FEG, оснащенного приставкой энергодисперсионного анализа фирмы EDAX и просвечивающего электронного микроскопа JEOL JEM-210. Методом взвешивания и гелиевой пикнометрии определяли объемную и пикнометрическую плотность спеченных образцов полученного керамического композиционного материала на основе нитрида кремния. С этой целью использовали гелиевый пикнометр MicromeriticsAccuPyc 1340. Для оценки механических характеристик выполняли испытания на сжатие и изгиб согласно ГОСТ 473.6-81 и ГОСТ 473.8-81. Механические испытания проводили на универсальной электромеханической испытательной машине фирмы Instron модели 300LX-B1-C3-J1C. Микротвердость определяли с помощью прибора для испытания на твердость по микро-Виккерсу Affri DM8 согласно ГОСТ 9450-76. Трещиностойкость была измерена методом индентирования. Коэффициент линейного расширения образцов керамического материала на основе нитрида кремния измеряли с помощью дилатомера Netzsch DIL 402 C/4/G. Анализируя данные, приведенные в таблице на фиг.2, можно заключить, что полученный материал характеризуется высокой изотропностью свойств по объему, что подтверждается узким интервалом значений измеренных механических характеристик.The workpiece was cut into 8 samples, each of which was previously mechanically processed on a grinding machine, after which tests of physical and mechanical properties were carried out, as well as studies of the structure of the obtained material. The phase and structural composition of the silicon nitride-based ceramic material was monitored using a
По результатам испытаний были получены следующие показатели (фиг.1-3)According to the test results, the following indicators were obtained (figures 1-3)
- мелкозернистая однородная структура,- fine-grained homogeneous structure,
- плотность изделий из керамического композиционного материала на основе нитрида кремния - 2,97 г/см3,- the density of articles made of ceramic composite material based on silicon nitride is 2.97 g / cm 3 ,
- микротвердость не ниже 1375 HV,- microhardness not lower than 1375 HV,
- предел прочности при сжатии σn не ниже 2115 МПа,- compressive strength σ n not lower than 2115 MPa,
- предел прочности при изгибе σи не ниже 265 МПа,- ultimate strength in bending σ and not lower than 265 MPa,
- диэлектрические потери - 1,4·10-3,- dielectric loss - 1.4 · 10 -3 ,
- диэлектрическая проницаемость ε -7,05,- dielectric constant ε -7,05,
- коэффициент линейного расширения - 3·10-6K-1.the coefficient of linear expansion is 3 · 10 -6 K -1 .
Кроме того, были измерены значения трещиностойкости 6,0 МПа·м1/2 и коэффициента водопоглощения <0,1.In addition, fracture toughness values of 6.0 MPa · m 1/2 and water absorption coefficient <0.1 were measured.
Таким образом, задача, стоящая перед изобретением, решена. Предложенный способ позволяет получить материал с достаточно высокими прочностными показателями в сочетании с низкими диэлектрическими свойствами: диэлектрической проницаемостью и диэлектрическими потерями ниже, чем у прототипа.Thus, the problem facing the invention is solved. The proposed method allows to obtain a material with a sufficiently high strength characteristics in combination with low dielectric properties: dielectric constant and dielectric loss is lower than that of the prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016106010A RU2641358C2 (en) | 2016-02-20 | 2016-02-20 | Method of obtaining technological trainings of ceramic articles from silicon nitride |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016106010A RU2641358C2 (en) | 2016-02-20 | 2016-02-20 | Method of obtaining technological trainings of ceramic articles from silicon nitride |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016106010A RU2016106010A (en) | 2017-08-24 |
RU2641358C2 true RU2641358C2 (en) | 2018-01-17 |
Family
ID=59744704
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016106010A RU2641358C2 (en) | 2016-02-20 | 2016-02-20 | Method of obtaining technological trainings of ceramic articles from silicon nitride |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2641358C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2757607C1 (en) * | 2021-04-12 | 2021-10-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Method for preparing 21r-sialon ceramics |
RU2803087C1 (en) * | 2022-11-29 | 2023-09-06 | Акционерное общество "Композит" (АО "Композит") | Method for manufacturing ceramic blanks based on silicon nitride |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1985004617A1 (en) * | 1984-04-13 | 1985-10-24 | Ford Motor Company | METHOD OF MACHINE CUTTING SILICON METAL PARTICULATES WITH Si3N4 |
EP0439419A1 (en) * | 1990-01-23 | 1991-07-31 | Ercros S.A. | Composite ceramic materials for applications in engineering at high temperature and under severe conditions of thermal shock and a process for their production |
US5702998A (en) * | 1990-10-22 | 1997-12-30 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Sintered ceramic body for a spark plug insulator and method of sintering the same |
US7064095B2 (en) * | 2001-03-01 | 2006-06-20 | Ceramtec Ag, Innovative Ceramic Engineering | Doped alpha-beta sialon ceramics |
RU2540674C2 (en) * | 2013-02-27 | 2015-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Реализация инженерно-технических целей порошковой металлургии" | Method of making articles from silicon nitride |
-
2016
- 2016-02-20 RU RU2016106010A patent/RU2641358C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1985004617A1 (en) * | 1984-04-13 | 1985-10-24 | Ford Motor Company | METHOD OF MACHINE CUTTING SILICON METAL PARTICULATES WITH Si3N4 |
EP0439419A1 (en) * | 1990-01-23 | 1991-07-31 | Ercros S.A. | Composite ceramic materials for applications in engineering at high temperature and under severe conditions of thermal shock and a process for their production |
US5702998A (en) * | 1990-10-22 | 1997-12-30 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Sintered ceramic body for a spark plug insulator and method of sintering the same |
US7064095B2 (en) * | 2001-03-01 | 2006-06-20 | Ceramtec Ag, Innovative Ceramic Engineering | Doped alpha-beta sialon ceramics |
RU2540674C2 (en) * | 2013-02-27 | 2015-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Реализация инженерно-технических целей порошковой металлургии" | Method of making articles from silicon nitride |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2757607C1 (en) * | 2021-04-12 | 2021-10-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Method for preparing 21r-sialon ceramics |
RU2803087C1 (en) * | 2022-11-29 | 2023-09-06 | Акционерное общество "Композит" (АО "Композит") | Method for manufacturing ceramic blanks based on silicon nitride |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016106010A (en) | 2017-08-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3992497A (en) | Pressureless sintering silicon nitride powders | |
Sun et al. | Alumina ceramics with uniform grains prepared from Al2O3 nanospheres | |
JP6344844B2 (en) | Boron carbide / titanium boride composite ceramics and method for producing the same | |
JPS6021866A (en) | Refractory electroconductive mixture material and manufacture thereof by thermal balance press formation | |
Guo et al. | Preparation of porous YB4 ceramics using a combination of in-situ borothermal reaction and high temperature partial sintering | |
JPH0260633B2 (en) | ||
RU2691207C1 (en) | Method of producing porous ceramic with bimodal porosity distribution | |
RU2641358C2 (en) | Method of obtaining technological trainings of ceramic articles from silicon nitride | |
Cao et al. | Microstructure, mechanical, and thermal properties of B4C-TiB2-SiC composites prepared by reactive hot-pressing | |
CN103194631A (en) | Preparation method of high-volume fraction alumina ceramic particle enhanced composite material | |
JP2020196932A (en) | Manufacturing method of aluminum alloy-based composite material | |
Li et al. | Alumina nanocrystalline ceramic by centrifugal casting | |
Li et al. | Sintering behavior, microstructure and mechanical properties of vacuum sintered SiC/spinel nanocomposite | |
CN116981650B (en) | Carrier for ceramic firing | |
RU2540674C2 (en) | Method of making articles from silicon nitride | |
CN109694254A (en) | A method of compact silicon nitride ceramics are prepared using single sintering aid is normal pressure-sintered | |
RU2453520C1 (en) | Method of producing cover of antenna dome out of reaction bonded silicon nitride | |
JP7640530B2 (en) | Method for producing silicon nitride powder and silicon nitride sintered body | |
JP5565724B2 (en) | Method for producing Al2O3 / Mo2N composite by capsule-free hot isostatic pressing | |
WO2021200865A1 (en) | Silicon nitride powder and method for producing silicon nitride sintered body | |
JPH01215761A (en) | Production of silicon nitride sintered form | |
Cao et al. | Pressureless sintering of cordierite ceramics with optimized strength and thermal expansion | |
JPH1179845A (en) | Manufacturing method of high toughness silicon carbide ceramics | |
Negahdari et al. | Influence of slurry formulation on mechanical properties of reticulated porous ceramic | |
KR101789300B1 (en) | Method for preparing silver-diamond composites using spark plasma sintering process and silver-diamond composites prepared thereby |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210221 |