Способ взрывного компактирования керамического материала

 

Изобретение относится к технологии формования труднопрессуемых керамических порошков, используемых для изготовления керамических материалов конструкционного назначения. Сущность изобретения: способ включает приготовление СВС-шихты следующего стехиометрического соотношения компонентов, мас.%: порошок кремния 40,8; азид натрия 40,6; гексафторсиликат аммония 18,6; размещение СВС-шихты в реакторе с зазором к контейнеру и заполнение зазоров азотом под давлением 2 - 10 МПа, воспламенение шихты от накала вольфрамовой нити электрическим током, инициирование заряда ВВ, расположенного на наружной поверхности контейнера. В качестве исходного порошка используют не целевой продукт, например, нитрид кремния, а СВС-шихту для его получения. Процесс горения СВС-шихты проводят непосредственно в контейнере. После прохождения процесса СВС нагретые до приблизительно 2300 К продукты синтеза обжимаются энергией взрыва заряда ВВ. При высокоскоростной деформации активированного порошка происходит взаимное перемещение частиц, насыщение дефектами кристаллического строения, динамическое спекание материала. 1 ил.

Изобретение относится к технологии получения высокоплотного компактного керамического материала на основе нитрида кремния и изделий конструкционного назначения с использованием энергии взрыва. В качестве исходного сырья при этом применяют мелкодисперсные порошки (с размером частиц менее 1,0 мкм) с активной поверхностью (удельная поверхность >10 м²/г).

Целью изобретения является повышение прочности материала на основе нитрида кремния.

Цель достигается тем, что в известном способе, при котором гранулированный мелкодисперсный порошок помещают в металлический контейнер-реактор, размещают заряд ВВ на его поверхности и инициируют заряд, новым является то, что в качестве исходного порошка, используют не целевой продукт, например, гранулы нитрида кремния, а СВС шихту для получения нитрида кремния, взятую при следующем стехиометрическом соотношении компонентов, мас. порошок кремния 40,8; азид натрия 40,6; гексафторсиликат аммония 18,6.

Нагрев материала осуществляют за счет самовоспламеняющегося высокоскоростного синтеза, инициирование которого осуществляется накалом вольфрамовой нити током.

В известном способе прототипе, после инициирования ВВ продукты детонации создают ударно-волновое сжатие, при котором в зоне контакта частиц возможно образование расплавленных зон, выдавливание жидкого вещества из зон контакта с заполнением пор, что обеспечивает активацию контактных поверхностей и их схватывание в процессе жидкофазного динамического спекания. При этом локализация деформации при ударе частиц и скоростное трение не одинаковы по объему прессовки и уплотнение порошкового тела за счет сближения частиц не обеспечивает равномерное распределение плотности и внутренних напряжений в материале, что может приводить к формированию локальных трещин и пор.

В предлагаемом способе формования мелкодисперсных порошков Si₃N₄ осуществляется непосредственно после СВС-процесса шихты, содержащей неорганические азиды и галоидные соли, когда температура материала после прохождения фронта горения достигает приблизительно 2300 К. При этом высокая активность поверхности порошка за счет образования по СВС технологии ультрадисперсных порошков (размер частиц < 1 мкм, удельная поверхность порошка свыше 20 м²/г) и высокой температуры способствуют при сдвиговой деформации в зонах контакта выдавливанию части материала в зазоры, обеспечивая получение высокоплотного прочного керамического материала. Следует отметить, что порошки, получаемые СВС-процессом, обладают высокой степенью чистоты. Основная примесь Si_св непрореагировавший кремния (Si_св 1 2 мас.). Кроме того установлено, что ударно-волновое нагружение порошка Si₃N₄, содержащего и фазы, способствует переходу b-фазы в a, a-фаза формируется в виде нитевидных кристаллов с повышенной дефектностью структуры. Компактирование такого материала при высоких температурах способствует получению высокоплотного материала с упрочняющими волокнами a-фазы, что способствует повышению прочности материала и его стойкости к распространению трещин.

На чертеже представлена принципиальная схема осуществления способа. СВС-шихту 1 размещают в реакторе 2, выполненном из стальной трубы с отверстиями по образующей, закрывают крышками 3, размещают на опоре 4. В нижней крышке закрепляют вольфрамовую нить 5, которую устанавливают в контакте с СВС-шихтой. Реактор помещают в герметичном контейнере 6, на наружной поверхности которого располагают теплоизоляционную прокладку-экран 7 и заряд ВВ 8.

Зазор между реактором и контейнером заполняют азотом под давлением, величину которого в процессе СВС регулируют с помощью клапана 9. Горение шихты инициируется накалом вольфрамовой нити 5. После окончания СВС процесса осуществляют инициирование заряда ВВ с помощью электродетонатора 10.

Выбор состава шихты СВС осуществляется в соответствии с известным способом получения нитрида кремния (авт.св. N 1269428). Стехиометрическое уравнение реакции следующее: Расчет: Si 392 м.е. 960 (100%) 40,8 NaN₃ 390 м.е. (мас.) 40,6 (NH₄)₂SiF₆ 178 м.е. 18,6 Пример. Изготавливалась СВС шихта из порошка кремния со средним размером частиц приблизительно 0,2 0,5 мкм (40,8 мас.), NaN₃ азид натрия (40,6 мас.), (NH₄)₂SiF₆ гексафторсиликата аммония (18,6 мас.). Смешивались первоначально Si и (NH₄)₂SiF₆ в шаровой мельнице в течение 2 3 ч, так как их плотности почти одинаковы. После добавления NaN₃ в смесь смешение проводилось в керамическом барабане с керамическими шарами.

Размер частиц после СВС процесса не больше чем размер частиц исходного кремния. Готовая шихта насыпается в стакан из кальки, который затем помещается в металлический реактор с отверстиями в стенках для свободного проникновения в смесь нагнетаемого азота. Реактор вакуумируется при помощи вакуумнасоса, промывается используемым газом (азотом), повторно вакуумируется и заполняется газом до давления 5 МПа. Затем реактор помещается коаксиально с зазором к внутренней стенке контейнера. В контейнере имеется редукционный клапан для поддержания давления, необходимого для прохождения СВС-процесса, а также для сброса газов, выделявшихся в результате горения. Для предохранения ВВ от воздействия высоких температур горения шихты между наружной стенкой контейнера и кольцевым зарядом ВВ предусмотрен асбестовый экран. Инициирование СВС-процесса осуществляется кратковременной подачей напряжения на вольфрамовую спираль, установленную в верхней части реактора.

После прохождения СВС-процесса (время из расчета скорости движения фронта горения 0,4 см/с на высоту засыпки) осуществляется взрывная обработка.

Таким образом, сочетание высокой степени нагрева порошка после СВС-процесса и формования взрывом (вместе приводящее к спеканию) позволяет получать материалы высокой плотности и прочности.

Получали керамический материал с плотностью 95 который имел прочность приблизительно 420 440 МПа.

Изготовленный по способу-прототипу материал имел плотность 82 а прочность материала после спекания составила 380 400 МПа.

Формула изобретения

Способ взрывного компактирования керамического материала, включающий помещение шихты с зазором в контейнере, размещение на наружной поверхности контейнера заряда взрывчатых веществ и последующее взрывное прессование, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности материала на основе нитрида кремния, в качестве шихты используют стехиометрическую смесь для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза нитрида кремния состава, мас.

Кремний 40,8 Азид натрия 40,6 Гексафторсиликат аммония 18,6
зазор заполняют азотом под давлением 2 10 МПа, инициируют горение шихты вольфрамовой нитью накаливания, а взрывное прессование осуществляют после прохождения горения шихты.

РИСУНКИ

Рисунок 1