CC BY
17
УДК 621.762.2 + 536.46
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ АЗОТА И ДИАМЕТРА ОБРАЗЦА НА ПАРАМЕТРЫ СИНТЕЗА ПОРОШКА НИТРИДА АЛЮМИНИЯ ПО АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС Титова Юлия Владимировна, к.т.н., доцент
(e-mail: titova600@mail.ru) Шоломова Анна Владимировна, аспирант (e-mail: a.popova91@gmail.com) Бичуров Георгий Владимирович, д.т.н., профессор, профессор
(e-mail: titova600@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Нитрид алюминия успешно синтезирован непосредственным взаимодействием гексафторалюмината натрия с азидом натрия в режиме горения. Показано влияние давления азота в реакторе и диаметра образца на температуру и скорость горения. Определены оптимальные технологические условия синтеза нитрида алюминия.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез; галоидная соль; азид натрия; нитрид алюминия; нанопорошок.
Среди тугоплавких соединений, имеющих большое значение в развитие многих отраслей современной промышленности, важное место занимают нитриды и материалы из них. Нитриды обладают комплексом ценных свойств и, прежде всего, высокой твердостью, повышенными значениями термостойкости и стойкости в агрессивных химических средах, низкими коэффициентом термического расширения и удельным весом по сравнению с металлами и сплавами. Разнообразие свойств предопределило интерес к нитридам во многих областях техники [1].
Нитрид алюминия был впервые синтезирован в 1862 году и представляет интерес благодаря таким свойствам как высокая удельная теплопроводность; низкий коэффициент теплового расширения; высокое удельное сопротивление; низкая диэлектрическая проницаемость. Однако использование нитрида алюминия ограничено из-за высоких издержек его производства. Традиционно нитрид алюминия получали восстановлением оксида алюминия углем в атмосфере азота.
В настоящее время существует множество методов синтеза нитрида алюминия, некоторые, из которых дают возможность получения наност-руктурированного нитрида алюминия. Нитрид алюминия синтезируют ионно-лучевым испарением и электрической дугой постоянного тока. В этих методиках алюминий испаряется из исходного вещества в экстремальных условиях и затем вступает в реакцию с аммиаком или азотом [2].
Другой метод синтеза нитрида алюминия - это сепарация углерода из углеводорода, после чего он вступает в реакцию с оксидом алюминия в атмосфере аммония или азота при высокой температуре в течение не-
скольких часов. Под высоким давлением и при высокой температуре нитрид алюминия успешно синтезируется в результате взаимодействия порошка алюминия с атомарным азотом или азидом натрия.
Плазмохимический метод синтеза позволяет получать наноразмерные порошки нитрида алюминия, но они имеют невысокую степень чистоты из-за очень высокого содержания кислорода, и сильно дефектную структуру из-за резкого охлаждения продуктов синтеза, что сказывается на свойствах получаемых порошков. Поэтому полученные порошки требуют особых условий хранения и применения, т.к. на воздухе они превращаются в оксиды.
Оборудование, используемое в вышеупомянутых методах, дорогое и условия эксперимента довольно сложны и трудновыполнимы в большинстве лабораторий.
В 1967 году российскими учеными академиком Мержановым А.Г., профессорами Боровинской И.П. и Шкиро В.М. в академгородке Черноголовка под Москвой при изучении безгазового горения смесей порошков металлов и неметаллов был разработан новый способ синтеза соединений -самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС).
В 1970 году профессор Куйбышевского политехнического института Косолапов В. С. предложил использовать не газообразный азот в качестве азотирующего реагента в процессах СВС, а порошки твердых неорганических азидов. С этого времени берет свое начало азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз). Таким образом, отличительной чертой азидной технологи СВС является то, что она позволяет получать микро- и нанопорошки нитридов высокого качества и является весьма перспективной для производства наноматериалов, что приобретает особое значение в наше время развития нанотехнологий [3].
Целью данной работы является исследование влияния давления азота, закачиваемого в реактор, и диаметра образца на параметры процесса и характеристики синтезируемого нитрида алюминия из смеси «Ка3АШ6 -КаК3» по технологии СВС-Аз. Уравнение получения нитрида алюминия выглядит следующим образом:
Ка3АШ6 + 3Ка№$ = АШ + 6КаБ + 4^.
В ходе исследования давление азота, закачиваемого в реактор, варьировали от 0 до 4 МПа, диаметр образца - от 10 до 40 мм. Расчет соотношения компонентов исходных СВС-смесей (табл. 1) проводился в программе «81еЫо», разработанной в СамГТУ.
Таблица 1. Результаты расчета по программе «81еЫо» соотношения
исходных компонентов смеси «Ша3АШ6 + 3ШаШ3» в зависимости _от диаметра образца_
Диаметр образца, мм Количество исходных компонентов при 100% чистоте, % Количество исходных компонентов с учетом чистоты, г Теоретический выход АШ, г Содержание азота в соединении, % мас.
ШзАШб NN3 ^АШб NN3
10 0,48 0,44 0,09
15 1,61 1,50 0,31
20 3,81 3,55 0,75
25 51,85 48,15 7,45 6,49 1,46 34,19
30 15,14 14,10 2,96
35 24,05 22,39 4,70
40 35,89 33,42 7,02
В работе был проведен термодинамический анализ горения смеси «Ша3АШ6 + 3ШаШ3». Были рассчитаны адиабатические температуры горения и тепловые эффекты реакций, а также равновесные концентрации продуктов синтеза в зависимости от давления газовой среды в реакторе (табл. 2).
Таблица 2. Термодинамический анализ горения смеси «Ша3АШ6 + 3ШаШ3»
при различном давлении азота
Давление, Р, МПа Объем газообразных продуктов, л Температура, К Энтропия продуктов горения, Дж/К Энтальпия продуктов горения, КДж Состав продуктов горения, моль
АШ ШаБ N2
0 430 1269 1831 -3258 1 6 4
0,5 86 1269 1778 -3258 1 6 4
1,0 43 1269 1754 -3258 1 6 4
1,5 28 1269 1740 -3258 1 6 4
2,0 22 1269 1740 -3258 1 6 4
2,5 17 1269 1723 -3258 1 6 4
3,0 14 1269 1717 -3258 1 6 4
3,5 12 1269 1712 -3258 1 6 4
4,0 10 1269 1708 -3258 1 6 4
Из представленных данных видно, что величина давления азота, закачиваемого в реактор, не оказывает влияния на адиабатическую температуру горения и энтальпию образования продуктов реакции. С увеличением давления снижается энтропия продуктов горения. Адиабатическая температура горения составляет 1269 К (996 °С), при таком значении возможно образование целевого продукта (АШ), но для этого необходимо увеличить время выдержки продуктов горения в реакторе до 20-25 минут. Энтальпия со-
ставляет -3258 кДж, этой величины достаточно для самораспространения волны горения и прохождения процесса синтеза.
Ниже представлены результаты исследований горения систем СВС-Аз для синтеза АШ, предусмотренные настоящей работой. Исследования включают в себя определение температур горения и скорости распространения химических реакций от давления азота, закачиваемого в реактор, (рис. 1) и диаметра образца (рис. 2).
0 12 3 4 5
Давление азота, закачиваемого в реактор, МПа ■ Температура горения, "С ■ Скорость горения, см/с
Рис. 1. Зависимость параметров синтеза нитрида алюминия от давления азота, закачиваемого в реактор
Диаметр образца, мм ■ Температура горения, "С ■ Скорость горения, см/с
Рис. 2. Зависимость параметров синтеза нитрида алюминия от диаметра
образца
Из рис. 1 видно, что с повышением давления азота, закачиваемого в реактор, увеличение температуры и скорости горения наблюдаются до 4 МПа. Максимальная температура горения составляет 950 °С, максимальная скорость горения имеет среднее значение 0,62 см/с. Из представленных
результатов можно сделать вывод о том, что исходя из температуры и скорости горения оптимальным давлением является значение 4 МПа.
Как видно из рис. 2, температура и скорость горения смеси «Na3AlF6+3NaN3» с увеличением диаметра образца возрастают, приобретая максимальные значения при диаметре образца 30 мм. При значениях диаметра образца свыше 30 мм начинают сказываться фильтрационные затруднения при подводе азота в центральную часть образца, а также тепло-потери образца в холодную стенку реактора, что препятствует распространению фронта горения. Образец диаметром 40 мм не сгорел. На основании полученных результатов для дальнейших исследований был выбран диаметр образца D = 30 мм.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 16-0800826.
Список использованных источников
1. Амосов, А. П. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов. [Текст] / А. П. Амосов, Г. В. Бичуров //М.: Машиностроение - 1, 2007. - 526с.
2. Амосов, А.П. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. [Текст]/ А. П. Амосов, И. П. Боровинская, А. Г. Мержанов. Учеб. Пособ./ Под науч. ред. В. Н. Анциферова // М.:Машиностроение,2007.- 567с.
3. Бичуров, Г. В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридных композиций [Текст]: Монография / Г. В. Бичуров, Л. А. Шиганова, Ю. В. Титова. - М.: Машиностроение, 2012. - 519 с. -ISBN - 978-5-94275-658-1.
Titova Yuliay Vladimirovna, Cand.Tech.Sci., associate professor (e-mail: titova600@mail.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia Sholomova Anna Vladimirovna, graduate student (e-mail: a.popova91@gmail.com) Samara State Technical University, Samara, Russia Bichurov Georgiy Vladimirovich, Doc.Tech.Sci., professor (e-mail: titova600@mail.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia INVESTIGATION OF THE EFFECT OF NITROGEN PRESSURE AND DIAMETER SAMPLE IN THE DATA SYNTHESIS ALUMINUM NITRIDE POWDER ON SHS AZIDE TECHNOLOGY
Abstract. The aluminum nitride was successfully synthesized by direct interaction of hexafluoroaluminate of sodium with sodium azide in the combustion mode. Shows the influence of the nitrogen pressure in the reactor and the diameter of the sample at the temperature and speed of combustion. The optimal technological conditions of synthesis of aluminum nitride.
Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, halide salt, sodium azide, aluminum nitride, nanopowder.
