научная статья по теме ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИНИТРИДА АЛЮМИНИЯ В ОБЛАСТИ 0–340 К Химия

Текст научной статьи на тему «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИНИТРИДА АЛЮМИНИЯ В ОБЛАСТИ 0–340 К»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 4, с. 391-395

УДК 544.31

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИНИТРИДА АЛЮМИНИЯ

В ОБЛАСТИ 0-340 К © 2015 г. А. В. Тюрин, Н. А. Грибченкова, В. Н. Гуськов, К. С. Гавричев

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова, Москва e-mail: guskov@igic.ras.ru Поступила в редакцию 07.10.2014 г.

Методом адиабатической калориметрии определена температурная зависимость теплоемкости ок-синитрида алюминия в области 0—340 К. По сглаженным значениям теплоемкости рассчитаны термодинамические функции — энтропия, изменения энтальпии и приведенной функции Гиббса:

C°(298.15 K) = 891.0 ± 1.8 Дж/(моль K), ^(298.15 K) = 614.4 ± 1.2 Дж/(моль K), Н°(298.15 K) - Н°(0) = = 117.3 ± 0.2 кДж/моль, Ф0(298.15 K) = 221.0 ± 1.8 Дж/(моль К).

DOI: 10.7868/S0002337X15040181

ВВЕДЕНИЕ

Прозрачная керамическая шпинель состава 9Al2O3 • 5A1N, образующаяся в системе Al2O3—AlN, представляет особый интерес для исследователей благодаря уникальным физическим свойствам. Ее отличает высокая прочность, химическая, механическая и термическая стойкость и прозрачность в широком диапазоне видимого и ИК-спектра, сравнимая с лейкосапфиром. В отличие от последнего оксинитрид алюминия имеет кубическую решетку и не проявляет анизотропии и дву-лучепреломления, а значит, является перспективным оптическим материалом высокой степени живучести [1]. Легирование прозрачного окси-нитрида редкоземельными металлами делает этот материал перспективным для изготовления белых светодиодов [2]. Промышленную разработку материалов и изделий из оксинитрида алюминия проводит корпорация SURMET.

Оксинитрид алюминия можно синтезировать только при температурах выше =1923 K. Ниже указанной температуры, по литературным данным, эта фаза c точки зрения равновесной термодинамики нестабильна, поскольку энергия Гибб-са образования из нитрида и оксида алюминия имеет положительное значение (АО^ьш > 0). Термодинамическая устойчивость оксинитрида алюминия неоднократно обсуждалась на основе расчетных данных [3]. Теплоемкость оксинитрида алюминия измерена в интервале температур 223— 1073 K и приведена на сайте фирмы-производителя [4], однако термодинамические функции не рассчитаны, сведения о методике измерений также отсутствуют.

Фазовые равновесия в квазибинарной системе А1203-АШ и способы синтеза А123027М5 подробно приведены в обзоре [5]. Показано, что оксинитрид алюминия имеет широкую область гомогенности и его состав может быть описан формулой А123 _ 1/3х027+хН5 -х (0.429 < х <2). Величина области гомогенности зависит от температуры и составляет 68-72 мол. % А1203 при 1973 К и 66-80 мол. % А1203 при 2073 К. В работе [3] показано влияние парциальных давлений кислорода и азота на отклонения от стехиометрии при синтезе оксинитридной фазы. В атмосфере азота оксинитрид плавится конгруэнтно, и максимальная температура плавления составляет 2438 ± 15 К. В окрестностях оксинитрид-ной фазы диаграмма носит дистектический характер. Оксинитрид алюминия имеет кристаллическую структуру шпинели с пр. гр. ¥й3ш и параметром ячейки 7.932-7.953 А в зависимости от отклонения от стехиометрии [3]. Согласно [5], в элементарной ячейке, состоящей из 56 атомов, анионную подрешетку формируют атомы кислорода и азота, а катионы занимают 8 тетраэдрических и 15 из 16 октаэдрических пустот, оставляя вакансию в октаэдрической координации, что подтверждается ЯМР-исследованиями.

Целью настоящей работы является экспериментальное определение теплоемкости оксинит-рида алюминия А123027М5 методом адиабатической калориметрии и получение температурных зависимостей термодинамических свойств: теплоемкости, энтропии, приведенной энергии Гиббса и изменения энтальпии.

20

30

40

50

29, град

60

70

80

Рис. 1. Дифрактограмма исследованного образца оксинитрида алюминия.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез оксинитрида алюминия проводят различными способами, однако наиболее очевидным является прямое спекание А1203 и АШ, взятых в стехиометрическом соотношении. Важное значение имеет тщательное перемешивание оксида и нитрида алюминия, которое проводили в сапфировой мельнице с последующим прессованием и отжигом при температуре 2073 К. Нами был получен однофазный полупрозрачный препарат оксинитрида алюминия с параметром решетки а = 7.943(6) А. Фазовый состав образца исследовали на порошковом дифрактометре Вгакег Бёуапсе D8, излучение СиХ"а, X = 1.541800 А (рис. 1).

Теплоемкость полученного образца измеряли вакуумным автоматическим адиабатическим калориметром с компьютерно-измерительной системой АК-9.02 АОЗТ "Термис", предварительно калиброванным по эталонным веществам высокой чистоты — меди, корунду и бензойной кислоте К-2. Образец в виде порошка загружали в тонкостенный титановый цилиндрический контейнер объемом 1 см3. Масса порошка составила 0.59347 г. Молярная масса, рассчитанная на формульную единицу А123027М5 с использованием атомных масс [6], составила 1122.59 г/моль. Герметизацию контейнера проводили в специальной камере в атмосфере гелия при давлении =0.03 МПа. Температуру измеряли железородиевым термо-

метром сопротивления, а величину нагрева выбирали таким образом, чтобы необходимости вводить поправку на кривизну зависимости теплоемкости от температуры не было. Более подробное описание методики измерений и конструкции установки приведено в [7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Экспериментальные результаты измерения теплоемкости приведены в табл. 1 и на рис. 2, где также приведены значения теплоемкости из работы [4]. Литературные данные и измеренная нами теплоемкость хорошо согласуются между собой. Необходимо отметить отсутствие аномалий теплоемкости, которые соответствуют фазовым переходам в температурном интервале измерений. Температурная зависимость теплоемкости сглажена методом сплайн-аппроксимации с использованием программного обеспечения банка данных ИВТАНТЕРМО [8]. Рекомендуемые значения теплоемкости, термодинамических функций и стандартных значений при Т = 298.15 К для оксинитрида алюминия приведены в табл. 2. Полученные термодинамические величины могут быть использованы для оптимизации процессов синтеза керамики на основе оксинитрида алюминия.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИНИТРИДА АЛЮМИНИЯ 393

Таблица 1. Экспериментальные результаты измерения теплоемкости оксинитрида алюминия

Т, К С0, Дж/(моль К) Т, К С0, Дж/(моль К) Т, К С0, Дж/(моль К) Т, К С0, Дж/(моль К)

Серия 1 192.22 560.6 5.86 2.19 46.38 20.51

79.18 96.24 195.53 573.2 6.06 2.20 47.99 22.22

82.09 108.9 198.84 585.4 6.35 2.27 49.60 24.40

84.13 114.6 202.55 599.3 6.74 2.30 51.22 26.45

86.18 121.9 206.68 613.9 7.14 2.41 52.84 28.80

88.23 133.6 210.80 628.8 7.66 2.44 54.47 31.68

90.28 140.4 214.92 643.6 8.32 2.47 56.10 34.58

92.34 147.5 219.04 658.5 8.98 2.58 57.73 37.51

94.39 155.1 223.15 677.7 9.65 2.66 59.37 41.20

96.45 162.5 227.26 691.4 10.35 2.745 61.01 44.86

98.51 170.5 235.41 720.0 11.04 2.847 62.64 49.14

100.56 178.6 239.56 732.3 11.76 3.041 64.29 53.41

103.23 189.1 243.66 745.0 12.53 3.155 65.93 57.96

106.50 202.4 247.77 755.2 13.27 3.211 67.58 62.11

109.77 213.8 251.86 767.6 14.03 2.752 69.23 66.39

113.04 227.4 255.94 779.7 14.80 2.280 71.08 71.21

116.32 241.1 260.02 791.7 15.58 1.903 73.16 77.58

119.61 255.1 264.09 803.2 16.36 1.812 75.21 84.37

122.89 268.8 268.15 814.6 17.15 1.692 77.27 92.20

126.18 282.8 272.21 825.3 17.94 1.641 79.33 99.62

129.47 296.9 276.26 836.2 18.73 1.666 81.39 106.3

132.76 311.1 280.30 846.9 19.53 1.757 83.46 111.8

136.05 325.2 284.33 857.3 20.33 1.898 85.53 117.9

139.34 339.7 288.35 867.1 21.65 2.189 87.60 129.0

142.64 354.0 292.36 877.2 23.12 2.396 89.68 137.0

145.94 368.5 296.26 885.9 24.60 3.033 91.75 144.3

149.24 383.1 300.25 895.8 26.09 3.756 93.83 151.8

152.54 397.6 304.78 907.1 27.59 4.515 95.91 159.7

155.84 412.1 311.21 923.2 29.10 5.592 97.99 167.4

159.15 426.2 318.70 939.5 30.63 6.855 100.07 175.5

162.46 440.3 326.11 954.7 32.16 8.259 102.77 186.3

165.76 454.1 333.48 970.0 33.71 9.363 106.07 199.7

169.07 468.0 340.89 988.1 35.27 9.927 109.40 213.9

172.38 482.3 348.19 1005 36.83 12.04 112.71 227.5

175.69 495.4 С ерия 2 38.40 13.70 116.02 241.3

178.99 508.8 4.87 1.57 39.98 14.86 119.34 255.1

182.30 522.1 5.27 2.00 41.57 15.99 122.66 269.1

185.61 535.1 5.46 2.19 43.15 17.25 125.99 283.5

188.92 547.9 5.66 2.19 44.75 18.91

Таблица 2. Теплоемкость и термодинамические функции А123027М5 в области температур 10-340 К

Т, К С0(Т) &(Т) ф0(Т) Н°(Т)-Н°(0)

Дж/(моль К) Дж/моль

10 2.704 1.433 0.4293 10.03

15 2.182 2.151 0.8964 18.82

20 2.037 2.653 1.273 27.59

25 3.369 3.233 1.604 40.71

30 5.691 4.037 1.939 62.93

35 9.080 5.154 2.314 99.40

40 13.61 6.650 2.759 155.6

45 19.37 8.573 3.294 237.6

50 26.42 10.97 3.937 351.5

60 44.74 17.32 5.608 702.5

70 69.18 25.96 7.869 1267

80 99.99 37.15 10.80 2108

90 135.9 50.96 14.47 3284

100 175.3 67.29 18.92 4837

110 216.5 85.92 24.15 6795

120 258.5 106.6 30.14 9169

130 301.1 128.9 36.87 11970

140 343.9 152.8 44.29 15190

150 386.6 178.0 52.35 18840

160 429.0 204.3 61.02 22920

170 470.8 231.6 70.25 27420

180 511.6 259.6 79.99 32 340

190 551.4 288.4 90.19 37650

200 590.1 317.6 100.8 43360

210 627.7 347.3 111.9 49450

220 664.3 377.4 123.2 55910

230 699.3 407.7 135.0 62730

240 732.2 438.2 147.0 69890

250 763.0 468.7 159.2 77370

260 792.1 499.2 171.7 85140

270 819.7 529.6 184.4 93200

280 846.0 559.9 197.3 101500

290 871.2 590.0 210.3 110100

298.15 891.0 614.4 221.0 117300

300 895.4 619.9 223.4 119000

310 918.3 649.7 236.7 128000

320 941.7 679.2 250.1 137300

330 964.1 708.6 263.5 146900

340 986.3 737.7 277.0 156600

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИНИТРИДА АЛЮМИНИЯ

395

1200

1000

£ 800

CD

К

600

400

200

50

100

150 200

T, K

250

300

350

0

Рис. 2. Экспериментальная зависимость (1) теплоемкости оксинитрида алюминия в области 10—340 К, 2 — теплоемкость из работы [4].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://www.surmet.com/technology/alon-optical-ce-ramics/index.php.

2. Yin L, Hu W, Xu X., Hao L. Synthesis of pure AlON: Eu2+, Mg2+ Phosphors by Mechanochemical Activation Route // Ceram

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.

Показать целиком