Физика
Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества
Шиганова Л.А., кандидат технических наук, доцент
Бичуров Г.В., доктор технических наук, профессор Керсон И.А., аспирант (Самарский государственный технический университет)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ В СИСТЕМЕ «АЛЮМИНИЙ-АЗИД НАТРИЯ-КВЕ4» НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МОРФОЛОГИЮ КОНЕЧНОГО ПРОДУКТА
Приведены исследования возможности получения нитридной композиции AlN-BN по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из системы «хAl-NaNз-уКВГ4» при различном соотношении компонентов (х и у). Установлено, что конечный продукт синтеза состоит из нескольких фаз AlN, ВN и К2^А1Е6.Исследовано влияние соотношения компонентов в системе на фазовый состав и морфологию конечного продукта. Получен нитридный ультрадисперсный (наноразмерный) порошок, имеющий волокнистую форму со средним размером частиц 70100 нм.
Ключевые слова: нанопорошок, нитриды, AlN, BN, азид натрия, галоидная соль, самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
RESEARCH OF THE «ALUMINUM-SODIUM AZIDE-KBF4» SYSTEM'S COMPONENTS RATIO ON THE PHASE COMPOSITION AND MORPHOLOGY OF THE FINAL PRODUCT
The research of the probability of obtaining nitride composition AlN-BN by azide technology SHS from the system «xAl-NaN3-yKBF4» with different proportions of componetns (x and y). It was found that the final product of synthesis consits of several phases AlN, ВN and К2NaAlF6r The influence of the components' ration on the phase consistency and morfology of the final product was researched. Nanopowder nitride was obtained. The powder has viskous form with average size of the particles 70-100 nm.
Keywords: nanopowders, nitrides, AlN, BN, sodium azide, halides, self-propagating high-temperature synthesis.
1. Введение
В настоящее время в мире науки и техники все больший интерес проявляется к тугоплавким бескислородным неорганическим материалам, являющимся перспективной основой для создания деталей и изделий различного целевого назначения. Этот научный интерес относиться, в первую очередь, к композициям на основе неметаллических нитридов, обладающим комплексом ценных свойств, таких как высокая тугоплавкость, термостойкость, стойкость в агрессивных химических средах, относительно низкая плотность и т. д.
Одним из приоритетных направлений в науке является синтез наноразмерных материалов и создание технологий их получения. Использование нанотехнологии позволяет получить принципиально новые материалы с характеристиками, значительно превосходящими их современный уровень, что важно для развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды, обороны и т. д.
При использовании традиционных технологий, которые предусматривают азотирование порошков в электропечах, невозможно получение наноразмерных порошков после синтеза. Классическая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [1, 2], основанная на сжигании порошков в атмосфере газообразного азота, также не позволяет получать нанорамерные порошки, так как в результате реакции с азотом целевой продукт синтеза спекается.
Из анализа работы [3] установлено, что композицию «нитрид элемента 1 - нитрид элемента 2» можно получить в одну стадию. Однако, получение композиции в режиме классического СВС приводит к тому, что исходная шихта будет состоять из смеси порошков элементов, частицы которых будут иметь непосредственный контакт. В связи с этим, возможно химическое взаимодействие азотируемых элементов 1 и 2 в системе, например, «алюминий-бор» с образованием соответствующих бинарных соединений.
Для получения порошка микро- и нанокомпозиции нитридов алюминия и бора представляет интерес использовать в системах СВС в качестве азотируемого элемента не газообразный азот, а галоидные соли, содержащие металл и аммонийный радикал или галогенид, а в качестве азотирующего реагента — азид натрия (технология СВС-Аз). Технология СВС-Аз основана на использовании азида натрия КаК в качестве твердого азотирующего реагента и галоидных солей различного состава [4,5]. Достоинствами азидной технологии СВС являются: а) низкие температуры и скорости горения; б) наличие побочных продуктов синтеза как в газовом, так и в конденсированном состояниях; в) применение газифицирующихся добавок, галоидных солей, содержащих азотируемый элемент и дополнительно щелочной металл (КББ4, Ка2Т1Б6) или аммонийную группу (ЫН4БЕ4).
2. Материалы и методы
В настоящей работе в качестве исходных реагентов процесса СВС-Аз были использованы порошки азида натрия, алюминия и галоидной соли бора, которые выпускаются промышленностью: КаК (содержание основного вещества не менее 98,7 мас. %); КББ4 (не менее 99,0 мас. %); А1 (не менее 99,5 мас. %) [5].
Экспериментальная часть работы заключалась в проведении синтеза композиции нитридов алюминия и бора в реакторе постоянного давления объемом 4,5 литра.
Образцы со смесью «хА1 + КаК +уКББ4» в насыпном виде устанавливались в рабочую часть реактора. К верхнему торцу образцов подводилась вольфрамовая спираль, после чего инициировалось горение и синтез композиции «нитрид алюминия - нитрид бора» путем кратковременной подачи электрического импульса на вольфрамовую спираль.
При исследовании зависимостей Т,и,рН = / (хА1) и Т,и,рН = / (хКБр4) были выбраны следующие условия: давление азота в реакторе - 4 МПа, плотность исходной шихты - насыпная (8 = 0,34), диаметр образца В = 30 мм.
В каждый образец вводились вольфрам-рениевые термопары, связанные с аналого-цифровым преобразователем, предназначенные для регистрации температуры и скорости горения.
3. Эксперимент и результаты
Результаты экспериментов по синтезу нитридной композиции АШ-ВК в системе «хА1-КаК3-КББ4» в зависимости от содержания в ней алюминия, представлены в таблице 1 и на рисунке 1а. А результаты по синтезу нитридной композиции АШ-ВК в системе «А1-КаК3-уКБЕ4» в зависимости от содержания в ней тетрафторбората калия, представлены в таблице 2 и на рисунке 1 б.
Таблица 1
Результаты исследования зависимости Т,и,рН = / (хА1) при получении нитридной композиции AlN-ВN в системе «хА1^а^-КБЕ4»
№ Содержание хА1, моль Температура горения, Т, °С Скорость горения, и, см/с Кислотно-щелочной баланс, рН Цвет порошка РФА
1 1 1650 1,00 9 светлосерый А1№, Б№, К2№аАШб
2 2 1300 1,00 9 светлосерый А1№, Б№, К2№аАШб
3 3 800 1,00 8 серый А1№, Б№, К2№аАШб
4 4 700 1,00 8 серый А1№, Б№, К2№аАШб
Из представленных на рисунке 1а зависимостей видно, что с увеличением содержания А1 в смеси «хА1 + №N3 +КБЕ4», температура горения снизается, а температура горения постоянна.
Из представленных на рисунке 1б зависимостей видно, что с увеличением содержания КББ4 в смеси «А1 + №а№3 + КВБ4», скорость и температура горения снижаются.
Рентгенофазовый анализ конечного продукта проводили с помощью дифрактометра ЛКЬ ХЧтЛ-138. Дифрактограммы конечных промытых продуктов синтеза системы «хА1-№№3-уКБЕ4» с разным соотношением х = А1 и у = КББ4 в системе представлены на рисунке 2.
Таблица 2
Результаты исследования зависимости Т,ирН = / (уКБг4) при получении нитридной композиции A1N-ВN в системе «А1^а^-уКБГ4»
№ Содержание уКБР4, моль Температура горения, Т, °С Скорость горения, И, см/с Кислотно-щелочной баланс, рН Цвет порошка РФА
1 1 1650 1,00 9 светлосерый А1№, Б№, К2№аАШб
2 2 1550 0,70 9 светлосерый А1№, Б№, К2№аАШб
3 3 1400 0,50 8 серый А1№, Б№, К2№аА1Бб
4 4 1200 0,50 8 серый А1№, Б№, К2№аА1Бб
Результаты рентгенофазового анализа (рисунок 2) продуктов горения системы «хА1-№а№3-уКББ4» при различном соотношении компонентов в шихте, свидетельствует о наличии следующих фаз: нитрида алюминия А1№, нитрида бора Б№ и К2№аАШ6.
Из этих результатов видно, что нитрид алюминия содержится во всех представленных рентгеннограммах, но в разном количестве. С увеличением содержания алюминия в исходной шихте, растет и количество нитрида алюминия в конечном продукте.
Нитрид бора содержится во всех предсталенных рентгеннограммах и увеличение галоидной соли КББ4 в исходной шихте, практически не влияет на количество нитрида бора в конечном продукте.
2000
500
1 1 Содержание хА1. моль
-Теия(р1пр1 г оргии. Т, ЧГ
-Скорость горения. II, шгс
а)
2 3
Содержите уКВГ«. мол
-Температур» горенкх, Т, *С Скорость г Орегон, и, «с'с
б)
Рис. 1. Зависимость температуры и скорости горения от соотношения компонентов в системе: а) «хА1-НаЫ3-КВЕ4»; б) «А1-НаЫ3-уКВЕ4»
Исследование размера и морфологии порошков нитридных композиций проводилось с помощью растрового электронного микроскопа JSM-6390A фирмы «Jeol». Морфология частиц конечного продукта (композиционного порошка), синтезированного в системе «хА1-№Мг>'КВР4» при различном увеличении представлена на рисунке 3.
2вОС 13М
1400 ■10» еоо
А к 1 о -ДЩ ♦ -BN А - МЯзАШб
А А А
ы о О О 11° • А А л
-1-1- 20 -Г" 30 —1- -1- 59 а) —|-[- ВД —'-1-1-1-1— 70 30
2ЕГ
б)
в)
Рис. 2. Дифрактограммы конечных промытых продуктов синтеза системы «хЛ1-ЫаЫ3-уКВГ4» с разным соотношением компонентов: а) хЛ1 = 1 моль и уКВр4 = 1 моль; б) хЛ1 = 3 моль и уКВр4 = 1 моль; в) хЛ1 = 1 моль и уКВр4 = 3 моль
Из рисунков 3 а и 3б видно, что форма частиц нитридной композиции, синтезированной в системе «xAl-NaN^KBF^» при хА1 = 1 моль и _yKBF4 = 1 моль имеет неправильную и волокнистую форму и средний размер частиц составляет 100-150 нм.
в) г)
Рис. 3. Морфология частиц конечного продукта (композиционного порошка), синтезированного в системе «хЛ1-ЫаЫ3-уКВР4»: а) и б) хЛ1 = 1 моль и уКВр4 = 1 моль; в) и г) хЛ1 = 3 моль и уКВр4 = 1 моль; д) и е) хЛ1 = 1 моль и уКВр4 = 3 моль
Из рисунков 3в и 3г видно, что форма частиц нитридной композиции, синтезированной в системе «хЛ1-№^-КБР4» при хм = 3 моль и уКББ4 = 1 моль имеет игольчатую и волокнистую форму и средний размер частиц составляет 100-150 нм. Таким образом, полученный композиционный порошок можно классифицировать как высокодисперсный порошок (микропорошок).
Из рисунков 3д и 3е видно, что форма частиц нитридной композиции, синтезированной в системе «Л1-КаКз-уКББ4» при хЛ1 = 1 моль и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.