Керамический материал, испускающий инфракрасное излучение

1 Изобретение посвящено новым керамическим материалам, способным генерировать непрерывное инфракрасное излучение. Более конкретно оно относится к огнеупорным керамическим материалам с повышенной термической,химической и физической стабильностью и устойчивостью к термоциклированию, которые могут быть использованы для сушки, для быстрой и эффективной стерилизации различных предметов, для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, для транспортировки газов, жидкостей, для очистки воздуха, в охлаждающих системах, в системах с импульсным изменением удельного сопротивления, в высокотемпературных нагревателях, в футеровочных материалах. Известны керамические материалы формулы RСrО 3, где R - редкоземельный оксид типа оксида иттрия, описанные в патенте США 3 475 352. Эти материалы, несмотря но то, что успешно применяются там, где требуется электропроводность, например в электродах, имеют низкую химическую стабильность при воздействии высоких температур - выше 1600 С, низкую устойчивость к термоциклированию при температурах выше 1500 С и не способны нагреваться с высокими скоростями нагрева. Кроме того, они обладают относительно низкой излучательной способностью. Эти недостатки ограничили использование этих материалов там,где важна стабильность свойств. Известно устройство для стерилизации шлангового соединения аппарата "искусственная почка" (см. патент США 4 774 415, кл. 250-455.1). Керамический материал стерилизатора имеет недостаточную мощность излучения в ИК спектре, что приводит к недостаточной стерилизации отдельных частей соединения,которые не получают нужной дозы облучения. Если увеличить время стерилизации, то наиболее подверженные ИК облучению элементы соединения могут перегреться. В этом случае предметы, изготовленные из металла и стекла,могут расплавиться либо изменить цвет из-за образования оксидной плнки. Более стабильными термическими, физическими и химическими свойствами обладает керамический состав на основе оксида хрома Сr2O3 (до 44,7 мас.%) и железа Fе 2O3 (до 35 мас.%), содержащий также большую долю и окиси кремния SiO2 (10-20 мас.%) , а в качестве добавок: Аl2 О 3, СuО, СаО, МgО (см. пат. США 5 350 927, опуб. 27.09.1994 г., н.кл. 250-504R,"Керамические материалы с ИК излучением и устройства, содержащие такие керамические материалы"), взятый за прототип. Описанный керамический материал воспринимает либо импульсное ИК излучение от другого, генерирующего только импульсное ИК излучение, керамического материала в виде экрана, либо излучение лампы, нагревательной спирали и т.п., и генерирует постоянное ИК излучение, используемое в стерилизаторах. Недостатком данной 2 керамики является относительно невысокая эффективность преобразования первичного излучения, вследствие чего его использование во многих сферах, указанных в преамбуле описания изобретения, сильно ограничено. Задачей изобретения является создание керамического материала, способного к равномерному ИК излучению, обладающего повышенной излучающей способностью. Поставленная задача решается за счт того, что керамический материал, включающий Сr2O3, Fe2O3, SiO2, МgО, Аl2 О 3, СаО, СuО, дополнительно содержит СаСО 3, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Сr2O3 СаСО 3 Оказалось, что именно добавление СаСО 3 в указанном количестве при некотором снижении, по сравнению с прототипом, содержания Сr2O3, СаО и СuО до указанных количеств при выдерживании указанного соотношения остальных компонентов позволяет получить керамический материал, способный генерировать непрерывное ИК излучение мощностью, превышающей мощность излучения известных керамических материалов на основе оксида хрома на 23-49%. Приготовление заявленного керамического состава проводят по известной технологии. Компоненты размалывают до получения порошка тонкого помола, смешивают до образования однородной смеси и помещают в тигель солнечной печи, где и расплавляют. Плавление обычно осуществляют в условиях, которые уменьшают потерю кислорода из полученного порошка. В общем случае эти керамические составы на основе оксида хрома плавят при температуре приблизительно 2600 С. Плавление желательно осуществлять в окислительных атмосферах, предпочтительнее - в воздушной. Расплав каплями стекает в охлаждающую мкость с водой. Полученную массу измельчают до крупности зрен 160 мкм. Затем порошок прессуют в изделия нужной формы. Более подробно изобретение поясняется приведнными ниже примерами приготовления керамического материала. Пример 1. К одному килограмму отвалочного шлака медеплавильного завода Алмалыкского горнометаллургического комбината, содержащего 274,59 г SiO2, 600,67 г Fе 2 О 3, 34,32 г Аl2O3, 8,58 г СuО, 51,5 г СаО и 11 г МgО, добавили 497,7 г Сr2O3, 154,5 г СаСО 3 и 83,39 г МgО, что составило в мас.%: Затем провели помол указанных веществ тефлоновыми шарами в планетарной мельнице с пластиковой внутренней облицовкой до получения тонкодисперсного порошка. Порошок поместили в тигель солнечной печи и плавку осуществляли при температуре 2600 С в воздушной среде. Расплав сливали в охлаждающую мкость с водой. Полученный таким образом керамический материал снова размалывали до крупности зрен 160 мкм и спрессовывали в изделия требуемой формы. В примерах 2-4 образцы керамического материала получали аналогичным описанному в примере 1 способом, изменяя лишь процентное соотношение компонентов. Для удобства пояснения изобретения составы всех примеров сведены в таблицу 1. Следует добавить, что только в пределах указанных соотношений удавалось получить материал с более высокой относительно прототипа мощностью ИК излучения при нагревании. Компонент мас./% Сr2O3 СаСО 3 Затем измеряли мощность ИК излучения заявляемого керамического материала и материала-прототипа методом сравнения. Для этого использовали по два пластинчатых радиаторапластины, имеющих одинаковые параметры: 120 х 24 х 1,5 мм - алюминиевые и 120 х 24 х 0,8 мм- медные. Из двух одинаковых пластин, одну пластину покрывали материалом-прототипом,другую - материалом по данному изобретению. Одной своей стороной обе эти пластины были прикреплены к малогабаритному нагревательному элементу. Каждый нагревательный элемент имел габариты: 25 х 5 х 1 мм. Сопротивление - 440 Ом. Схема измерений следующая: Датчик температуры вместе с нагревательным элементом прикреплн в центре одинаковых пластин при помощи пружинного зажима. На нагревательный элемент подавали различную мощность, которая стабилизируется подводимым напряжением. Включнный нагревательный элемент выдерживают до достижения 4 равновесного теплового режима при заданной температуре окружающей среды (конвекция естественная), признаком которого является постоянство измеряемой термопарой температуры во времени. Таким образом, вычитая показания термометра, полученные на пластине покрытой керамикой-прототипом и показания термометра,полученные на пластине, покрытой керамикой по данному изобретению, получают разницу в температуре, характеризующую эффективность новой керамики, по сравнению с прототипом,так как подаваемая мощность в обоих случаях одинакова. Сравнивали два материала с различным коэффициентом теплопроводности: алюминиевый сплав с теплопроводностью 150 Вт/(м К) и медный сплав с теплопроводностью 350 Вт(м К). Напряжение питания нагревательного элемента - переменное, частота 50 Гц. Во всех случаях в качестве материала-прототипа использовали состав "С" по патенту США 5 350 927, с наибольшим содержанием Сr2O3: Результаты измерения температуры на алюминиевом сплаве для керамики примера 1 Таблица 2 Напряже- Мощность Температура T1 Температура Т 2 Т 1-Т 2 С ние (вольт)(Ватт) пластины, попластины, покрытой керами- крытой керамикой-прототипом, кой по изобретеС нию,С 1 2 3 4 5 45 4,602 78 69 9 50 5,682 87 77 10 55 5,875 97 85 12 60 8,182 104 91 13 65 9,602 113 98 15 70 11,136 121 106 15 75 12,784 129 114 15 80 14,545 137 121 16 85 16,421 146 128 18 90 18,409 152 133 19 Результаты измерения температуры на алюминиевом сплаве для керамики примера 2 Таблица 3 Напряже- Мощность Температура T1 Температура Т 2 Т 1-Т 2 С пластины, покры- пластины, поние (вольт) 5 Результаты измерения температуры на алюминиевом сплаве для керамики примера 3 Напряже- Мощность ние (вольт) Таблица 4 Температура T1 Температура Т 2 T1-Т 2 С пластины, попластины, покрытой керами- крытой керамикой-прототипом, кой по изобретеС нию, С 3 4 5 78 75 3 87 83 4 97 93 4 104 99 5 113 106 7 121 112 9 129 118 11 137 125 12 146 134 12 152 140 12 Результаты измерения температуры на алюминиевом сплаве для керамики примера 4 Напряже- Мощность ние (вольт) Таблица 5 Температура T1 Температура Т 2 T1-Т 2 С пластины, попластины, покрытой керами- крытой керамикой-прототипом, кой по изобретеС нию, С 3 4 5 78 71 7 87 79 8 97 87 10 104 94 10 113 102 11 121 109 12 129 117 12 137 124 13 146 131 15 152 137 15 Из таблиц 2-5 совершенно очевидно, что при получаемой одинаковой мощности, пластина с керамикой по изобретению нагревается меньше за счт большей эффективности излучения (отдачи) получаемой мощности. Основной единицей мощности в радиометрической системе служит Ватт. Он является мерой энергии излучения в единицу времени. Разница в подводимой мощности к нагревательному элементу, при некоторых фиксированных значениях температур, наглядно показывает эффективность излучения подводимой мощности керамикой по данному изобретению, что иллюстрируется таблицей 6. Таблица 6 Темпера- Мощность, пода- Мощность, пода- P1-P2(Вт) Р 2-Р 1% тураС ваемая на пласти- ваемая на пластину с керамикой- ну с керамикой по изобретению, Р 2 прототипом, P1 6 Результаты измерения температуры на медном сплаве для керамики примера 1 Напряже- Мощность ние (вольт) Таблица 7 Температура T1 Температура Т 2 T1-Т 2C пластины, попластины, покрытой керами- крытой керамикой-прототипом, кой по изобретеС нию, С 3 4 5 81 65 16 90 73 17 99 82 17 107 89 18 116 96 20 125 103 22 134 112 22 143 119 24 150 126 24 159 132 27 Результаты измерения температуры на медном сплаве для керамики примера 2 Напряже- Мощность ние (вольт) Результаты измерения температуры на медном сплаве для керамики примера 3 Напряже- Мощность ние (вольт) Результаты измерения температуры на медном сплаве для керамики примера 4 Напряже- Мощность ние (вольт) Таблица 10 Температура T1 Температура Т 2 T1-T2 С пластины, попластины, покрытой керами- крытой керамикой-прототипом, кой по изобретеС нию,С 3 4 5 81 70 11 90 78 12 99 86 13 Из таблиц 7-10 видно, что на медном сплаве покрытие из заявляемой в качестве изобретения керамики проявляет ещ большую эффективность отдачи получаемой мощности, и это приводит к большей разнице температур нагрева пластинок меди с керамическим покрытием при получении одинаковой мощности. Отдельные примеры сравнения подводимой мощности в процентном отношении при некоторых фиксированных значениях температур дают ещ более впечатляющую разницу в эффективности отдачи мощности между керамикой по изобретению и керамикой прототипа,что иллюстрируется таблицей 11. Таблица 11 Температура Мощность, пода- Мощность, пода- Р 2-P1 Вт Р 2-P1% нагрева, С ваемая на пластину ваемая на пластину с керамикой по с керамикойизобретению, Р 2 прототипом, P1,(Вт) Приведнные данные наглядно демонстрируют увеличение эффективности ИК излучения нового керамического материала почти на 50% относительно известного материала. При этом видно, что в примере 1 приведн наиболее оп 8 тимальный состав, обеспечивающий наивысшую эффективность ИК излучения. Остальные составы также обеспечивают повышение мощности ИК излучения, но в меньшей степени. Нарушение пределов процентных отношений заявленных компонентов нового керамического материала в большую или меньшую сторону приводит к отсутствию указанного эффекта или к столь его малой величине, что он не проявляется в практическом применении. Несмотря но то, что, с целью освобождения описания от загромождающего его множества десятков таблиц, приведены только 4 примера процентного состава нового керамического материала, объм изобретения охватывает все комбинации компонентов в пределах указанных процентных соотношений ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Керамический материал, включающий Сr2O3, Fe2O3, SiO2, MgO, Аl2O3, СаО и СuО, отличающийся тем, что он дополнительно содержит СаСО 3 при следующем соотношении компонентов, маc.%: Сr2O3 28,0-32,0 СаСО 3 7,0-10,0