1.2. МЕТОДЫ ТЕРМОРАЗЛОЖЕНИЯ И СООСАЖДЕНИЯ

  Главная      Учебники - Радиотехника     Технология керамических радио- электронных материалов

 поиск по сайту           правообладателям

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

 

 

1.2. МЕТОДЫ ТЕРМОРАЗЛОЖЕНИЯ И СООСАЖДЕНИЯ

Метод термического разложения сернокислых солей. В отличие

от оксидного в качестве исходных компонентов применяют водорастворимые соли серной, азотной, соляной и других кислот, однако первые получили наибольшее промышленное применение. Сернокислые соли содержат прочно связанную кристаллизационную воду, поэтому для производства исходные компоненты берутся в виде кристаллогидратов металлов

 

 

Сущность солевой технологии — в дегидратации (удалении кристаллизационной воды) солей и последующем их термическом разложении до оксидов. Остальные операции, вплоть до получения готовых изделий, аналогичны оксидному методу. Технологический процесс дегидратации может быть в двух исполнениях (рис. 1.1).

В первом варианте сернокислые соли расплавляют в собственной (кристаллизационной) воде при нагревании и затем ее выпаривают. Для технологичности в соли добавляют свободную воду в соотношении с массой соли 1:5. При повышении температуры в смеси протекают химические превращения (рис. 1.2). При Т—= 50—70°С (323—343 К) начинается расплавление, при 7=100— 120 °С (273—293 К) смесь кипит и при 300 C (573 К) вода (свободная и кристаллизационная) удаляется. Каждая соль имеет свои характерные температуры. На рисунке точкам / соответствуют начальные содержания воды в солях: MnS04-5H20; ZnS04-7H20; FeS04-7H20. При температурах в точках 2 часть молекул воды удаляется из солей и остается соответственно: 4Н20; 6Н20; 4Н20. При дальнейшем нагревании (точки 3) соли становятся одноводными (MeS04-H20, Me — металл) и процесс прекращается. Оставшаяся одна молекула воды будет удалена при последующем термическом разложении шихты. Температуры дегидратации до одноводного состояния у каждой соли разные: 200°С (473 К)—для Мп; 250°С (523 К) — Zn; 300°С (573 К) — Fe. Дегидратация

обычно производится в шахтных или камерных печах в металлических некорродируемых емкостях. Полученную отвердевшую массу в виде рыхлых конгломератов подвергают дроблению, затем термическому разложению до оксидов при 7=950—1100°С (1323— 1373 К) в течение 4—5 ч в шахтных или туннельных печах. В наиболее ответственных случаях проводят повторный обжиг с брикетированием.

 Первый вариант дегидратации солей утрачивает свое значение в крупнотоннажном производстве из-за несовершенства технологии и применяемого оборудования, но он был единственным до 70-х годов. Однако в отдельных производствах и лабораторных исследованиях он до сих пор незаменим.

Второй вариант позволяет практически полностью автоматизировать процесс и активно управлять им. Это достигнуто за счет применения аппаратов псевдокипящего (псевдоожиженного) слоя. Процесс при этом принципиально не изменяется, но исходные соли полностью растворяют в воде и приготавливают смесь растворов, которая по оксидам соответствует химическому составу синтезируемого материала. Для повышения растворимости солей и концентрации растворов, а это связано с увеличением производительности оборудования, их дополнительно подкисляют и подогревают. Полученные растворы контролируют, при необходимости корректируют химический состав, фильтруют и с помощью насосов по трубопроводам направляют в горячую камеру.

Устройство и принцип действия установки (рис. 1.3): в камеру 3 по трубопроводу 6 под давлением подается раствор и с помощью форсунок 5 распыляется. Газовые горелки 10 подают в камеру теплоноситель с Т=700°С (973 К), который создает в области распыления 7=110—130°С (383—403 К). Капли раствора быстро высыхают и превращаются в твердые частицы с развитой поверхностью. На дно камеры в начале работы через специальный люк 2 загружается постель 4 из частиц материала такого же состава, как и раствор. С противоположной стороны дна (снизу) под постель подается поддавливающий воздух по системе каналов 9. Создавая избыточное давление, воздух поднимает и барботирует частицы постели, создавая псевдокипящий слой. Частички материала, образующиеся из распыленного состава, постепенно налипают на частицы постели, увеличивая их размеры и массу.

Достигая критических значений, эти гранулы своей массой превосходят давление поддавливающего воздуха и высыпаются из камеры через специальный затвор 7 в виде готового продукта — обезвоженного гра-нулята 8. В слое образуются новые центры будущих гранул. Зародышевые частицы находятся в постоянном сложном движении в камере и, обволакиваясь прилипающими частицами, приобретают правильную шаровую форму 07—8 мм. Отходящие продукты: пар, газ, пыль — удаляются из камеры и
после очистки 1 и выбрасываются в атмосферу.

Обезвоженный гранулят подвергают термическому разложению. Хорошая сыпучесть позволяет обжигать материал во вращающихся печах. Применяют также и другое оборудование, например толкательные, вагонеточные печи и тому подобное, но в этом случае необходимы жаропрочные тигли. При терморазложении из материала должны быть удалены сернистые газы, что контролируется по содержанию остатка иона SO*-, количество которого не должно превышать 0,15—0,2 %. При дальнейшей обработке порошков этот остаток может вступить во взаимодействие с технологическими добавками.

Полученные по солевому методу порошки обладают целым рядом преимуществ по сравнению с оксидными композициями, которые обеспечивают более высокий уровень электромагнитных параметров изделий: высокая гомогенность смеси на молекулярном уровне (достигается смешением исходных компонентов в виде истинных водных растворов); высокая химическая активность, что
интенсифицирует реакции образования твердых растворов при синтезе материалов на предварительном и окончательном обжиге; сокращается длительность процессов смешения и помола из-за высокой однородности шихты, что уменьшает степень засорения химического состава материала.

Вместе с тем солевому методу присущи и серьезные недостатки. Исходные компоненты берут в виде кристаллогидратов, в которых содержание оксидов составляет примерно одну треть. Выход оксидов из гранулята — 45 %. Следовательно, большая часть сырья в виде воды и образующихся газов перерабатывается непроизводительно. Сернистые газы загрязняют воздушный и водный бассейны вредными отходами производства, сильно сокращают стойкость технологического оборудования и оснастки, требуя применения дорогостоящих нержавеющих и кислотоупорных сталей и сплавов. Нежелательными являются кислотные остатки, так как при взаимодействии их с поливиниловым спиртом (ПВС) ухудшаются его связующие способности, что осложняет прессование изделий, а также и реологические свойства литейных шпикеров. Солевые порошки могут иметь неравномерность химического состава по объему вследствие различной растворимости некоторых компонентов в смеси.
 

Метод совместного осаждения солей в своей начальной стадии принципиально не отличается и повторяет солевой метод. Процесс дополняется операциями, связанными с осаждением и выделением осадков, являющихся продуктами химического взаимодействия растворов солей или оснований [12, 14]. Исходными компонентами могут быть те же вещества, что и при солевом методе; азотно-, серно- и соляно-кислые водорастворимые соли металлов. В их растворы вводят осаждающие вещества: (NH4)2C03 — углекислый аммоний (карбонат); (NH4)2C2H4— щавелевокислый аммоний (оксалат); NaOH — щелочь (гидроокись). По названию осаждающих веществ получили названия и осажденные материалы: карбонаты, оксалаты и гидроокиси металлов.

Исходные соли и осаждающие вещества растворяют в дистиллированной воде, фильтруют от механических примесей, сливают вместе в определенном соотношении, непрерывно перемешивая. Для ускорения осаждения растворы подогревают.
Осадки отфильтровывают или отстаивают с декантированием, несколько раз промывают водой или слабым раствором осаждающего вещества для удаления растворимых примесей. После сушки при Т=120°С (393 К), помола и прокалки при Т=300—800°С (573—1073 К) соли разлагаются и переходят в оксиды.

Метод соосаждения может применяться в различных вариантах: совместное осаждение всех компонентов; индивидуальное осаждение с последующим смешиванием осажденных компонентов; осаждение одной или нескольких составляющих с последующим смешением их с оксидами.

Преимущества соосажденных порошков схожи с солевыми. Этим методом получают мелкодисперсные, активные продукты. Так порошки Ре20з и NiO получают с размерами частиц около 0,01 мкм, ZnO — 0,1 мкм.

Недостатки метода: большое количество промывочных жидкостей; возможность загрязнения осадков адсорбировавшимися щелочными остатками; и неприменимость при разной растворимости компонентов, так как возможно непропорциональное осаждение солей. Кроме того, могут быть потери неопределенного количества материала с щелочным раствором и промывочными водами.

Метод совместного осаждения солей применяется в производстве радиоэлектронных материалов (РЭМ). В технологии полупроводниковых резисторов этот метод используется в основном производстве.