CC BY
26
УДК 621.762.2 + 536.46
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИИ TiN-Si3N4-SiC МЕТОДОМ АЗИДНОГО СВС Белова Галина Сергеевна, аспирант (e-mail: galya.belova.94@mail.ru) Титова Юлия Владимировна, к.т.н., доцент, доцент (e-mail: titova600@mail.ru) Майдан Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент, доцент (e-mail: mtm.samgtu@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Проведено исследование возможности получения керамического порошкового композита TiN-Si3N4-SiC методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с применением галоидных солей и неорганических азидов. Предложено уравнение химической реакции для получения трехфазного керамического композита TiN-Si3N4-SiC по азидной технологии СВС. Представлены результаты рентгенофазового анализа и растровой электронной микроскопии промытых и непромытых продуктов горения выбранной шихты. Исследована количественная оценка фазового состава. Удалось синтезировать композицию в виде сферических и равноосных частиц карбидов титана и кремния размером от 50 до 300 нм и волокон нитрида кремния диаметром до 100 нм, со степенью чистоты 98,2 масс. %
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, азид натрия, галоидная соль, нанопорошок, композиция, нитрид титана, нитрид кремния, карбид кремния.
В последние годы внимание исследователей обращено на создание композиционной керамики с уникальными свойствами. Добавление, к примеру, частиц нитрида титана в нитридокремниевую керамику позволяет получить керамический композиционный материал с интересными свойствами. Во-первых, при введении достаточного количества частиц TiN, удается получить электропроводящий керамический композит. Это в свою очередь позволяет снизить затраты на обработку керамики за счет замены дорогостоящего алмазного шлифования более дешевой электромеханической обработкой [1]. Во-вторых, введение частиц TiN в матрицу Si3N4 приводит к улучшению механических свойств, включая прочность, вязкость разрушения и модуль Юнга [2]. В работе [3] сообщается о повышении износостойкости композитов TiN-Si3N4 по сравнению с чистым нитридом кремния, что делает их перспективным материалом для создания режущего инструмента.
Композиты TiN-Si3N4 могут быть получены разными способами: горячим прессованием, искровым плазменным спеканием и самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) [4].
Кроме нитрида титана в качестве армирующих частиц для нитридок-ремниевой керамики может использоваться карбид кремния, благодаря его высокой твердости. Композиционная керамика SiC-Si3N4 обладает повышенной износостойкостью, прочностью, теплопроводностью и трещино-стойкостью, однако электропроводность ее ниже, чем при введении частиц TiN. Получают композит SiC-Si3N4 различными методами, включая спекание в плазме искрового разряда [5] и СВС [6].
В настоящий момент проводятся исследования по получению мультифа-зовых керамических композитов, которые содержат в себе до частицы до пяти различных фаз [7-8].
В работе [9] сообщается о получении композита путем совместного смешивания и последующего горячего прессования трех исходных порошков (Si3N4, SiC, TiN). Трехфазный керамический композит TiN-Si3N4-SiC характеризуется более низким коэффициентом трения и более высокой твердостью, что делает его перспективным материалом для использования в приложениях, связанных с износом, включая режущие инструменты и шарикоподшипники.
Целью данной работы является исследование возможности получения керамического порошкового композита TiN-Si3N4-SiC методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с применением галоидных солей и неорганических азидов. Для получения трехфазного керамического композита TiN-Si3N4-SiC по азидной технологии СВС предлагается использовать следующее уравнение химической реакции:
8Si+4NaN3+Na2SiF6+10C+10Ti=3Si3N4+10TiC+6NaF
Съёмку дифрактограмм продукта горения выполняли с использованием рентгеновского дифрактометра Rigaku Ultima IV, оснащённого рентгеновской трубкой с железным анодом и высокоскоростным детектором D-teX Ultra. Напряжение и ток трубки составляли 40 кВ и 30 мА. Сканирование проводили в диапазоне углов 20 (20...159)0 со скоростью 10°/мин и шагом 0,02°. Расшифровку дифрактограмм и количественную оценку фазового состава методом Ритвельда выполняли в программе PDXL 1.8 с использованием баз кристаллографических данных PDF-2009 и C0D-2019 [10-12]. На рисунке 1 представлены дифрактограммы непромытых и промытых продуктов горения шихты «8Si+4NaN3+Na2SiF6+10C+10Ti».
Количественная оценка фазового состава показала, что продукты горения после операции промывки в дистиллированной воде состоят из пяти фаз: нитрида титана (TiN) - 53,2 масс. %, карбида кремния (SiC) - 12,7 масс. 5, нитридов кремния (a-Si3N4) - 13,7 масс. %, (ß-Si3N4) - 18,6 масс. % и свободного кремния (Si) - 1,8 масс. %.
На рисунке 2 представлены результаты микроструктурного анализа синтезированной трехфазной композиции TiN-Si3N4-SiC, проведенного с помощью растрового электронного микроскопа Jeol.
55000 ~ 23000 21000 19000 17000 15000_ 13000_ 11000 9000 7000 5000 3000 1000 -1000 20
Меаэ. (1а1а:НР-й<Од1а 1 ОэЬогпйе, зуп.Т М,03-Ое5-№114 5М1еоп п11- - Т-Ьа'а.Т.!?, Г«,01-ааМ7Ю ЗМ.соп пЧ-г.я N4 01 073 ■
0
'и''л'.'|.|' ■ ЗН '.у |,:- С,01-073-1вв5 5И|еаГ1,£¡,03-065-1050 ■ 1 V Пийпас.са £2.03-065-0535
Рисунок 1 - Дифрактограммы продуктов горения шихты
«881+4КаК3+Ка281Е6+10С+10Т1» а) до операции промывки б) после операции промывки
!
_
20кУ Х25,000 1(лп
в) г)
Рисунок 2 - Микроструктура синтезированной трехфазной композиции
тад^задю
при различном увеличении до - а), б) и после операции промывки - в), г)
Из представленных фотографий видно, что композиция синтезируется в виде сферических и равноосных частиц карбидов титана и кремния размером от 50 до 300 нм и волокон нитрида кремния диаметром до 100 нм.
На рисунке 3 представлены результаты энергодисперсионного анализа синтезированной композиции, проведенного с помощью растрового электронного микроскопа 1ео1.
ЙЭПШЙ 71 к 4.508 21.95 1.05 9.51 21.933
^ TotMl 100.00 100.00
Рисунок 3 - Результаты энергодисперсионного анализа синтезированной композиции TiN-Si3N4-SiC
Из представленных данных видно, что продукт горения смеси «8Si+4NaN3+Na2SiF6+10C+10Ti» состоит из четырех химических элементов: углерода (10,19 масс. %), азота (30,00 масс. %), кремния (37,95 масс. %) и титана (21,85 масс. %), что полностью согласуется с результатами рентгенофазового анализа.
Таким образом, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза удалось синтезировать в одну стадию трехфазный композит TiN-Si3N4-SiC со степенью чистоты 98,2 масс. %, перспективный для создания режущего инструмента.
Список литературы
1. K. Liu, D. Reynaerts, B. Lauwers, In fl uence of the pulse shape on the EDM performance of Si3N4-TiN ceramic composite, CIRP Annals - Manufacturing Technology 58 (2009) 217-220.
2. G. Blugan, M. Hadad, J. Janczak-Rusch, J. Kuebler, T. Graule, Fractography, mechanical properties, and microstructure of commercial silicon nitride - titanium nitride composites, Journal of the American Ceramic Society 88 (2005) 926 - 933.
3. B. Zou, C. Huang, J. Song, H. Liu, H. Zhu, Cutting performance and wear mechanism of Si3N4-based nanocomposite ceramic cutting tool in machining of cast iron, Machining Science and Technology 15 (2011) 192-205.
4. Kondratieva L.A., Kerson I.A., IllarionovA.Yu., Amosov A.P., Bichurov G.V. Investigation of possibility to fabricate Si3N4-TiN ceramic nanocomposite powder by azide SHS
method // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 156 (2016) 012032. -doi:10.1088/1757-899X/156/1/012032.
5. D.S. Perera, M. Tokita, S. Moricca, Comparative study of fabrication of Si3N4/SiC composites by spark plasma sintering and hot isostatic pressing, Journal of the European Ceramic Society 18 (1998) 401-404.
6. Титова Ю.В., Амосов А.П., Ермошкин А. А., Марков Ю.М., Попова А.В., Хусаино-ва Т.Н. Получение нанопорошка карбида кремния и композиции на его основе по азид-ной технологии СВС // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2013. - № 3. - С. 43-48.
7. M. Patel, J. Subrahmanyam, V.V.B. Prasad, R. Goyal, Processing and characterization of B4C-SiC-Si-TiB2 composites, Materials Science and Engineering: A 527 (2010) 41094112.
8. B. Li, J. Deng, Y. Li, Oxidation behavior and mechanical properties degradation of hot-pressed Al2O3/ZrB2/ZrO2 ceramic composites, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 27 (2009). 747-753.
9. G. Blugan, M. Hadad, T. Graule, J. Kuebler Si3N4-TiN-SiC three particle phase composites for wear applications // Ceramics International 40 (2014) 1439-1446.
10. Merkys, A., Vaitkus, A., Butkus, J., OkuliC-Kazarinas, M., Kairys, V. & Grazulis, S. (2016) "COD::CIF::Parser: an error-correcting CIF parser for the Perl language". Journal of Applied Crystallography 49.
11. Grazulis, S., Merkys, A., Vaitkus, A. & Okulic-Kazarinas, M. (2015) "Computing stoichiometric molecular composition from crystal structures". Journal of Applied Crystallography 48, 85-91.
12. Grazulis, S., Daskevic, A., Merkys, A., Chateigner, D., Lutterotti, L., Quiros, M., Serebryanaya, N. R., Moeck, P., Downs, R. T. & LeBail, A. (2012) "Crystallography Open Database (COD): an open-access collection of crystal structures and platform for world-wide collaboration". Nucleic Acids Research 40, D420-D427.
Belova Galina Sergeevna, graduate student (e-mail: galya.belova.94@mail.ru)
Titova Yuliay Vladimirovna, Cand.Tech.Sci., associate professor (e-mail: titova600@mail.ru)
Maydan Dmitriy Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: mtm.samgtu@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
RESEARCH OF THE POSSIBILITY OF OBTAINING A COMPOSITION OF TIN-SI3N4-SIC BY THE SHS AZID METHOD
Abstract. The possibility of obtaining a ceramic powder composite TiN-Si3N4-SiC by the method of self-propagating high-temperature synthesis using halide salts and inorganic az-ides was studied. A chemical reaction equation is proposed for the preparation of a three-phase ceramic composite TiN-Si3N4-SiC using the azide SHS technology. The results of x-ray phase analysis and scanning electron microscopy of the washed and non-washed combustion products of the selected mixture are presented. The quantitative assessment of the phase composition is investigated. It was possible to synthesize a composition in the form of spherical and equiaxed particles of titanium and silicon carbides with sizes from 50 to 300 nm and silicon nitride fibers with a diameter of up to 100 nm, with a purity of 98.2 mass. % Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, sodium azide, halide salt, nanopowder, composition, titanium nitride, silicon nitride, silicon carbide.
