CC BY
34
УДК 621.762.04
М.С. Кузнецов
ст. преподаватель, кафедра физико-энергетических установок, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
А.О. Семенов
ст. преподаватель, кафедра физико-энергетических установок, ФГАОУ ВО «<Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ СИСТЕМЫ TIO2-B НА ПРОЦЕССЫ СИНТЕЗА БОРИДА ТИТАНА (II) В РЕЖИМЕ СВС
Аннотация. В статье рассмотрен процесс механической активации исходной смеси TiO2-B. Определены оптимальные параметры исходной шихты компонентов для проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза борида титана (II).
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, механическая активация, борид титана (II).
M.S. Kuznetsov, Tomsk Polytechnic University
A.O. Semenov, Tomsk Polytechnic University
ANALYSIS OF THE EFFECT OF MECHANICAL ACTIVATION ON SYNTHESIS PROCESS OF TITANIUM
BORIDE (II) IN TIO2-B SYSTEMS DURING SH-SYNTHESIS
Abstract. This article describes the process of mechanical activation of the initial mixture of TiO2-B. The optimum parameters of the initial mixture of components for self-propagating high-temperature synthesis of titanium boride (II) was determined.
Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, mechanical activation, titanium boride (II).
В Томском политехническом университете ведутся разработки естественно-научных основ технологии получения новых материалов методом самораспространяюшегося высокотемпературного синтеза (СВС) [1, 2]. К преимуществам технологии СВС следует отнести простоту аппаратного исполнения, малые времена протекания синтеза, сравнительно низкие энергозатраты.
В настоящее время известны несколько путей управления СВС, которые следует рассматривать применительно к конкретным его стадиям и изменяемым параметрам [3, 4]: управление на стадии подготовки шихты, управление при проведении процесса, управление при охлаждении готовых продуктов.
На данном этапе работы изучается управление синтезом на первой стадии. К изменяемым параметрам СВС на этом этапе можно отнести химический состав, соотношение компонентов и распределение частиц по размерам исходных реагентов, плотность исходной шихты, начальные размеры образцов, начальную температуру прогрева, начальное давление прессования образца, механическую активацию исходных компонентов.
Рассмотрим влияние механической активации исходных компонентов шихты на процесс протекания СВС и на образование конечного продукта на примере синтеза борида титана (II) из смеси TiO2-B. Суть метода механоактивации заключается в релаксации прикладываемой к образцу механической энергии через различные каналы, среди которых стоит отметить деформацию и разрушение твердого тела путем накопления дефектов и дислокаций [5].
В качестве исходных материалов использовались порошки диоксида титана (марка ПТК, средний размер частиц менее 70 мкм, чистота 98%) и бора аморфного (марка Б-99В, дисперсность 5, чистота 99%). Смесь TiO2-B подвергалась активации в планетарной шаровой мельнице
АГО-2С с водяным охлаждением, отношение загружаемых шаров к смеси составляло 20:1. Время активации оставалось постоянным и равнялось 10 минутам, ускорение варьировалось в пределах от 30g до 120g с шагом в 30g.
Данные о размерах частиц после механической активации исходных компонентов приведены на рисунке 1. Средний размер частиц до активации компонентов смеси TiO2-B: диоксида титана и бора составлял 65,5 мкм и 128 мкм соответственно. При проведении механической активации наблюдается изменение среднего размера составных частиц в сторону уменьшения. Благодаря относительно большому времени активации в смеси не наблюдается составных частиц больших размеров, которые, как правило, образуются при малых временах активации порядка десятков секунд в результате налипания частиц друг на друга.
Рисунок 1 - Средний размер частиц компонентов смеси ТЮ2-В при механоактивации
Результаты лазерного анализа размеров частиц достаточно хорошо коррелируются с результатами электронной микроскопии исследуемых образцов, представленных на рисунке 2. Уменьшение размеров частиц и равномерное перемешивание, которое наблюдается на снимках исследуемых образцов, подтверждает прохождение механической активации.
СИ8 «аОЕ
а
с
41
Рисунок 2 - Микроснимки системы ТЮ2-В активированных в течение 10 минут при напряжениях 30д (а), 60д (Ь), 90д (с), 120д (ф
Используя БЭТ-метод [6], была определена удельная площадь поверхности исследуемых образцов (рис. 3) как функция от ускорения при постоянном времени (10 минут). С увеличением энергонапряженности происходит рост площади удельной поверхности в 1,5 в границах рассматриваемого диапазона ускорений.
Проведенный рентгенофазовый анализ не показывает наличие новых фаз, образовавшихся в результате механической активации шихты исходных компонентов. Таким образом,
можно сделать вывод, что проведение механоактивации при заданных параметрах эксперимента не вносит негативный вклад в дальнейший процесс синтеза.
Рисунок 3 - Удельная площадь поверхности системы ТЮ2-В как функция от ускорения
Рисунок 4 - Рентгенограмма системы ТЮ2-В после механоактивации при 130д
в течение 10 минут
Время.
Рисунок 5 - Термограммы горения системы при активации в течение 10 минут
Дополнительные исследования позволили установить пределы механической активации исследуемой системы (при ускорении более 180g), при достижении которых начинается химическая реакция, приводящая к образованию промежуточных фаз, снижающих характеристики дальнейшего процесса синтеза, вследствие увеличения размеров частиц, уменьшения площади соприкосновения реагентов между собой и т.п.
Проведение экспериментов по синтезу образцов в условиях технического вакуума позволили установить, что благодаря проведенной механической активации температура инициирования также может быть представлена как функция ускорения, приложенного к исследуемой системе в мельнице (рис. 5).
В результате проведенных экспериментов по влиянию механической активации на шихту исходных компонентов TiO2-B было установлено, что при исследуемых параметрах активации с увеличением нагрузки на шихту (увеличением ускорения) происходит уменьшение среднего размера частиц смеси, а также происходит увеличение удельной поверхности компонентов, что позволяет уменьшить температуру инициирования реакции синтеза для увеличения скорости реакции и оптимального управления конечными параметрами синтезируемого продукта.
Список литературы:
1. Demyanyuk D.G., Dolmatov O.Y., Isachenko D.S., Kuznetsov M.S., Semenov A.O., Chur-sin S.S. Control Model of SH-Synthesis for Two-Component Systems // Advanced Materials Research. - 2015. - Vol. 1084. - P. 728-732.
2. Моделирование температурных полей волны самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при введении в шихту тепловыделяющей добавки NiAl / В.И. Бойко [и др.] // Цветные металлы: научно-технический и производственный журнал / Норильский Никель; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). - 2010. - № 5. - С. 79-82.
3. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. - М.: Машиностроение-1, 2007.
4. Effect of Mechanical Activation on Ignition and Combustion of Ti-BN and Ti-SiC-C Blends / N.F. Shkodich, A.S. Rogachev, S.G. Vadchenko1, N.V. Sachkova1, R.B. Neder, Magerl // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. - 2011. - Vol. 20, №. 3. - P. 191-199.
5. Старченко В.А., Черепанов Д.Н., Селиваникова О.В. Моделирование пластической деформации кристаллических материалов на основе концепции упрочнения и отдыха // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2014. - Т. 57, № 2. - С. 4-14.
6. Walton K.S., Snurr R.Q. Applicability of the BET method for determining surface areas of microporous metal-organic frameworks // Journal of the American Chemical Society. - 2007. - Т. 129, № 27. - С. 8552-8556.
