Исследование способа получения порошка нитрида магния в режиме СВС Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 546.171.8:549.451.4-46:661.8:666.798.2

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА НИТРИДА МАГНИЯ В РЕЖИМЕ СВС Марков Юрий Михайлович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

В данной статье раскрываются особенности СВС нитрида магния с применением азида натрия, а также преимущества данного способа и свойства полученного продукта

Ключевые слова: порошок нитрида магния, азид натрия, хлорид аммония, самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), рентгенофазовый анализ, микроскопического анализ.

Нитрид магния Mg3N2 имеет кубическую гранецентрированную решетку и образуется в форме бесцветных игольчатых кристаллов, быстро разлагающихся водой с образованием окиси магния и выделением аммиака или в виде рыхлого порошка желто-оранжевого цвета, сильно флюоресцирующего при облучении ультрафиолетовыми лучами.

Нитрид магния применяется при определении воды в спиртовых моторных топливах, природном газе, бутадиене, этиловом спирте, бензол диэти-ловом эфире и ацетоне. Для определения малых количеств аммиака, образующихся в реакции нитрида магния с водой, может быть также использована колориметрия или кондуктомерия.

С помощью нитрида магния получают дейтероаммиак ND3 (тяжелый аммиак.

Распространенный печной способ получения нитрида магния проходит в течение нескольких часов.

Азотирование магния проводят в среде азота. До 700°С азотирование происходит медленно, так как на магнии образуется плотная газонепроницаемая пленка.

При 700°С происходит расплавление магния, нарушение целостности пленки и процесс азотирования резко ускоряется. Азотирование при температуре 900-1000°С фактически происходит уже с расплавленным магнием. Температуру азотирования 750-800°С можно считать оптимальной.

Особенности процесса образования нитрида магния приводят к выводу о необходимости введения в порошок магния перед азотированием достаточно инертного наполнителя, который препятствовал бы спеканию порошка магния и образованию на нем сплошной нитридной пленки.

Одним из способов получения порошка Mg3N2 мог бы стать СВС с применением твердых азотирующих реагентов - СВС-Аз (азидная технология), который отличается от печного способа наличием большого количества паро-и газообразных продуктов в зоне горения не позволяющих спекаться целевому продукту.

По этому способу нитрид магния можно было бы получать используя разные исходные компоненты шихты согласно представленным стехио-метрическим уравнениям:

9М^ + + 2КН4а ^ 3MgзN2 + 2ШО + 4Н2 + N 9Mg + 2NaN3 + 2NH4F ^ 3Mg3N2 + 2NaF + 4Н2 + N2 3MgC12 + ^ Mg3N2 + 6ШС1 + 8N2 MgC12 + 2Mg + 2NaN3 ^ Mg3N2 + 2NaC1 + 2N2 3MgF2 + ^ Mg3N2 + 6NaF + 8N2

А1 + 3Mg + A1F3 + 3NaN3 ^ Mg3N2 + 3NaF + 2АШ + 2,5N2 2А1 + 2Mg + A1F3 + 3NaN3 ^ 0.67Mg3N2 + 3NaF + 3АШ + 2,33N2 3А1 + 2Mg + A1F3 + 3NaN3 ^ 0.67Mg3N2 + 3NaF + 4АШ + 1.83N2 3MgO + ^ Mg3N2 + 3Na2O + 8^ Исследования предложенных составов проводились при диаметре образца - 20 мм; высоте образца - 30 мм; давлении азота в СВС-реакторе - 4 МПа; стехиометрическом соотношении компонентов; относительной плотности исходных шихт - 0,4 (насыпная). Измерялись температуры и скорости горения предложенных шихт

Результаты исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1- Экспериментальные температура и скорость горения различных СВС-систем для синтеза нитрида магния

Система Температура горения, К Скорость, мм/с

9Mg-2NaNз-2NH4C1 1260 4

9Mg-2NaN3-2NH4F 1285 4

3MgCl2-6NaNз 1278 5

MgCl2-2Mg-2NaNз 1524 10

3MgF2-6NaN3 1470 8,8

A1-3Mg-A1F3-3NaN3 1183 1,3

2A1-2Mg-A1F3-3NaN3 1240 2,1

3A1-2Mg-A1F3-3NaN3 1377 2,5

3MgO-6NaNз Не горит Не горит

Исследуя физико-химические свойства компонентов шихт различных СВС-систем, особенности горения и качество синтезированного нитрида магния, рекомендуется использовать следующее стехиометрическое уравнение химической реакции для получения Mg3N3:

9Mg+2NaN3+2NH4C1^3Mg3N2+2NaC1+4H2+N2

Используя это стехиометрическое уравнение и оптимальные условия получения нитрида магния, был получен целевой порошок Mg3N2 бело-желтого цвета, который подвергался рентгенофазовому и электронно-микроскопическому анализам. Порошок Mg3N2 взаимодействовал с водой при попытке промыть его от примесей с выделением аммиака, поэтому далее его отмывали безводным этиловым спиртом. Оптимальные технологические условия синтеза нитрида магния, выбирались исходя из ранее отработанных оптимальных условий синтеза нитридов различных металлов, а также исходя их общих основных закономерностей горения для отдельных классов азидных СВС систем.

Микроскопический анализ порошка нитрида магния проводили на растровом электронном микроскопе ШОЬ JSM-6390A. Образцы просматривались при ускоряющем напряжении 5 кВ, при увеличении - х350 и х1500 в вакууме.

На рисунках 1 и 2 представлены снимки продукта синтеза по предложенному уравнению первой реакции.

Рисунок 1. Порошок нитрида магния при увеличении - х350

Рисунок 2. Порошок нитрида магния при увеличении - х1500

Как видно из рисунков 1,2 порошок нитрида магния имеет игольчатую структуру, что предполагает участие газовой фазы при образовании частиц М^з^.

На рисунке 3 представлена штрих-рентгенограмма непромытого продукта, синтезированного при горении СВС-Аз системы «9М^-2КаК3-2КН4С1»

1/1

Й0 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

1 2 3

3 1 1

2 1

1

1 1

1 1 3

80 70 60 50 40 30 20 10 0

1 - М^з^; 2 - М^О; 3 - КаС1 Рисунок 3.Штрих-рентгенограмма продукта, синтезированного при горении системы «9М^-2КаМ3-2КН4С1»

Анализируя представленную на рисунке 3.3 штрих-рентгенограмму непромытого нитрида магния, можно заметить, что на ней присутствуют рефлексы отражения от плоскостей кристаллической решетки только нитрида магния, оксида магния и хлорида натрия. Оксид магния является продуктом реакции нитрида магния с окружающей средой, поэтому с синтезированным продуктом необходимо работать в боксе с инертным газом. Хлорид натрия является побочным продуктом реакции, но имея более низкую температуру испарения, чем нитрид магния, путем увеличения температуры синтеза, либо промыв продукт безводным этиловым спиртом, можно будет удалить его.

Список использованных источников

1. Амосов А. П., Бичуров Г.В. Азидная технология СВС микро- и нанопорошков нитридов. М.: Машиностроение-1, 2007.-526с.

2. Самсонов Г. В. Нитриды.- Киев: Наукова думка, 1989.- 380 с.

3. Самсонов Г. В., Кулик О. П., Полищук В. С. Получение, свойства и методы анализа нитридов.- Киев: Наукова думка, 1988.- 320 с.

STUDY OF THE WAY OF THE RECEPTION OF POWDER MAGNIUM NITRIDES IN MODE SHS

MarkovIouriMihailovish, Cand.Tech.Sci.,

(e-mail: [email protected])

Abstract. This article describes the features of the tactics of SHS magnium nitrides of using azides natrium, advantage given method, property receive product.

Keywords: powders of magnium nitrides, azide natrium, chloride ammonium,

Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS), XRD- patterns, Scanning Electron Microscope.