CC BY
14
УДК 666.775-798.2
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ И РАЗМЕРА ПОРОШКОВОГО ПРОДУКТА, ПОЛУЧЕННОГО В РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ ИЗ КРЕМНИЙ-ТИТАНСОДЕРЖАЩИХ СИСТЕМ Кондратьева Людмила Александровна, д.т.н, профессор (e-mail: schiglou@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В данной работе рассматриваются результаты исследования характеристик (морфология, размер) порошкового продукта, синтезированного в режиме горения из систем «галогенид кремния - титан - азид натрия» и «кремний - галогенид титана - азид натрия».
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, горение, композиция, морфология, размер частиц.
В настоящее время одним из наиболее современных и перспективных методов синтеза керамических порошков является метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [1-4].
Для получения композиционных наноразмерных керамических порошков перспективно использовать одну из разновидностей СВС - азидную технологию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз) [5]. Эта технология основана на использовании азида натрия в качестве азотирующего реагента вместо газообразного азота и характеризуется низкими температурами горения, формированием конденсированных и газообразных продуктов горения, разделяющих первичные частицы синтезированных продуктов и способствующих образованию их в нано-размерном виде [6, 7].
Продукты реакций, после синтеза в режиме горения, были подвергнуты анализу на дифрактометре ARL X'trA-138 (рентгенофазовый анализ) и растровом электронном микроскопе JSM-6390A (размер, морфология). В таблицах 1 и 2 представлены результаты синтеза в режиме горения порошкового продукта из систем «галогенид кремния - титан - азид натрия» и «кремний - галогенид титана - азид натрия» с разным соотношением компонентов.
Результаты экспериментов подтверждают данные из литературных источников [8], что в процессе СВ-синтеза по экзотермической реакции непосредственным насыщением титана кремнием уже при температуре 700 °С образуются силициды титана TiSi2, Ti5Si3.
При этом было установлено, что из системы «3Na2SiF6+Ti+12NaN3» (таблица 1) после синтеза в конечном продукте присутствует фаза силицида титана обогащенная металлом Ti5Si3, а в конечном продукте, синтезированном из системы «3Si+3Na2TiF6+12NaN3» (таблица 2) с повышенным количеством кремния в исходном составе, в конечном продукте присутствует
кроме фазы Т15813 еще и фаза силицида титана обогащенная кремнием Т1812 [7, 9].
Таблица I - Результаты синтеза порошкового продукта, полученного в режиме горения из систем «галогенид кремния - титан - азид натрия»
№ Система Характеристика конечного продукта
Цвет Количественный фазовый состав Форма и размер частиц
1 3Na2SiF6+Ti+12NaN3 песочный a-SisNj - 9 %; P-Si3N4- 10%; TiN -21 %; TiNoi3o- 15 %; Ti>Si3 - 9 %; Si - 36 % сферическая -150-250 нм
2 9Na2SiF6+Ti+36NaN3 песочный TiN - 15 %: TiNoscr 13%: Si - 72 % сферическая -300-400 нм
3 3Na2SiF6+3Ti+12NaN3 темно-серый ot-Si3N4 - 11 %; P-Si3N+ - 7 %: TiN -69%; Si - 13 % сферическая -150-200 нм
Таблица 2 - Результаты синтеза порошкового продукта, полученного в режиме горения из систем «кремний - галогенид титана - азид натрия»
№ Система Характеристика конечного продукта
Цвет Количественный фазовый состав Форма и размер частиц
1 3Si+Na2TiF6+]2NaN3 серый a-Si3N4 • 24 %; P-S13N4 - 17%; TiN - 42 %; Si - 17% волокнистая -80-130 нм, столбчатая -400-500 нм
2 9Si+Na2TiF6+36NaN3 серый a-Si3N4- 14%: P-S13N4 - 56 %: TiN - 24 %; Si - 6 % волокнистая и столбчатая -200-300 нм, равноосная -130-160 нм
3 3Si+3Na2TiF6+12NaN3 черный TiN - 45 %: T15S13 - 8 %: TiSi2-21 %; Si - 8 %; Ti - 18 % равноосная -150-200 нм
Рисунок 1. Морфология и размер порошкового продукта, синтезированного в режиме горения из систем: а) «3№281Р<5+Т1+12На^» б) «9Ка181Р6+'П+ЗШаГ^»; в) «2т2$[¥6+2Т{+12ЫаЫ3»; г) «381+Ыа2Т1р6+4КаК3»; д) «981 Над^ е) «3 81+ЗМа2гПР6+1
Морфология и размер порошкового продукта, синтезированного в режиме горения из систем «галогенид кремния - титан - азид натрия» и «кремний - галогенид титана - азид натрия» с разным соотношении исходных элементов представлены в таблице 1 и на рисунке 1.
Таким образом, конечный продукт, синтезированный из систем «галоге-нид кремния - титан - азид натрия» и «кремний - галогенид титана - азид натрия» с разным соотношением исходных элементов представляет собой тонкодисперсный (субмикрокристаллический) порошок среднего размера 200-300 нм сферической, столбчатой, равноосной формы с отдельными на-нокристаллическими частицами и волокнами [7, 9].
Цвет синтезированного конечного продукта может говорить о его качестве и свидетельствовать о фазовом составе. В таблице 3 перечислены соединения, синтезированные из систем «хКа281Е6+уТ1+2КаК3», «х81+уКа2Т1Е6+2КаК3» и их характеристика.
Таблица 3 - Соединения, входящие в состав порошковых продуктов: синтезированных из кремний-титансодержашнх систем
Химическая формула Название Кристаллическая решетка Цвет
а-513Ы4 нитрид кремния тригональная белый (светло-серый)
нитрид кремния гексагональная белый (светло-серый)
Т1Ы и Т1Ыо.зо нитрид титана гексагональная золотой (микрочастицы)/ черный (наночастпцы)
силицид титана орторомбпческая серый
Т15313 силицид титана гексагональная серый
кремний кубическая серо-коричневый
Л титан гексагональная черный
При различном соотношении количества тех или иных соединений конечный синтезированный продукт имеет разный цвет (серый, песочный, темно-серый, черный) (таблица 3). Например, как видно из таблиц 1 и 2, темный цвет конечному продукту придает Т1К, 81 либо силицид титана, которые содержатся в большом количестве в конечном продукте. Поэтому, чем больше количество Т1К, 81, Т1 или Т1812 в синтезированном продукте и меньше количество а-813К4 и Р-813К4 тем темнее цвет синтезированного порошкового продукта [7].
Список литературы
1. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика // Сборник научных статей под ред. Е.А. Сычева.- Черноголовка: Территория, 2001.- 432 с.
2. Амосов, А.П. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учебное пособие / А.П. Амосов, И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов.- М.: Машиностроение-1, 2007.- 568 с.
3. Мержанов, А.Г. Твердопламенное горение / А.Г. Мержанов, А.С. Мукасьян.- М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007. 336 с.
4. Merzhanov, A.G. Historical retrospective of SHS: An autoreview / A.G. Merzhanov, I.P. Borovinskaya // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis.-2008. - № 17 (4). - P. 242-265.
5. Амосов, А.П. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов: Монография / А.П. Амосов, Г.В. Бичу-ров.- М.: Машиностроение-1, 2007. 526 с.
6. Бичуров, Г.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридных композиций: Монография / Г.В. Бичуров, Л.А. Шиганова, Ю.В. Титова.- М.: Машиностроение, 2012.- 519 с.
7. Кондратьева, Л.А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез порошков нитридных композиций Si3N4-TiN, Si3N4-AlN, Si3N4-BN, AlN-BN, AlN-TiN, BN-TiN с применением азида натрия и галоидных солей: дисс.. .докт.техн.наук. /Л.А. Кондратьева.- Самара: СамГТУ.- 2018. 881 с.
8. Самсонов, Г.В. Силициды и их использование в технике / Г.В. Самсонов.- Киев: Изд-во АН СССР, 1959.- 204 с.
9. Kondratieva, L.A. Investigation of possibility to fabricate Si3N4-TiN ceramic nanocomposite powder by azide SHS method / L.A. Kondratieva, I.A. Kerson, A. Yu. Illarionov, A.P. Amosov, G.V. Bichurov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 156 (2016), рр. 1-6.
Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,
doctor of technical sciences, Professor
(e-mail: schiglou@yandex.ru)
Samara state technical University, Samara, Russia
INVESTIGATION OF THE MORPHOLOGY AND SIZE
F THE POWDER PRODUCT OBTAINED IN THE MODE
OF COMBUSTION OF SILICON-TITANIUM SYSTEMS
Abstract. The results of the study of the characteristics (morphology, size) of the powder product synthesized in the combustion mode from the systems «silicon halide - titanium - sodium azide» and «silicon - titanium halide - sodium azide» are considered gorenjeski. Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, combustion, composition, morphology, particle size.
