CC BY
12
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 1748-630695/17.
Список литературы
1. Амосов, А.П. Научно-технические основы применения процессов СВС для создания литых алюмоматричных композиционных сплавов, дискретно армированных нано-размерными керамическими частицами. А.П. Амосов, В.И. Никитин, К.В. Никитин, С.А. Рязанов, А.А. Ермошкин [Текст]/ Наукоемкие технологии в машиностроении. -2013, №8 (26). - С. 3-9.
2. Jin et al.: Self-propagating high-temperature synthesis of nano-TiCx particles with different shapes by using carbon nano-tube as C source. / Shenbao Jhin, Ping Shen, Dongshuai Zhou, Qichuan Jiang / Nanoscale Research Letters, 2011. 6:515.
Luts Alfiya Rasimovna, Associate Professor
(e-mail: alya_luts@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
Rybakov Anton Dmitrievich, Graduate Student
(e-mail: antonsamgtu@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
INFLUENCE OF CARBON FORMS ON THE SHS-REACTION AND ON THE STRUCTURE OFCOMPOSITE ALLOY SYSTEM Al-Cu-Mn-TiC
Abstract. The results of the investigation of the influence of several carbon forms 1) T-900; 2) П-701; 3) C-2; 4) Activated carbon on the process of self-propagating high-temperature synthesis in the melt, as well as the structure of the composite alloy system Al-Cu-Mn-TiC.
Key words: aluminum, self-propagating high-temperature synthesis, composite alloy, titanium carbide, carbide, magnesium.
УДК 621.762.2 + 536.46
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДА
КРЕМНИЯ ИЗ СИСТЕМЫ «ГЕКСАФТОРСИЛИКАТ НАТРИЯ -АЗИД НАТРИЯ» ПО АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС Майдан Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент, доцент (e-mail: mtm.samgtu@mail.ru) Титова Юлия Владимировна, к.т.н., доцент (e-mail: titova600@mail.ru) Самарский государственный технический университет г.Самара, Россия
В данной статье рассмотрена азидная технология СВС для получения нитридов. Представлены результаты экспериментально-теоретических исследований процесса синтеза микро- и нанопорошков нитрида кремния в системе «Na2SiF6+4NaN3+xSi» в режиме горения. Определены параметры горения и синтеза. Исследована морфология частиц микро- и нанопорош-ков нитрида кремния.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез; галоидная соль; азид натрия; нитрид кремния; нанопорошок.
Нитрид кремния является одним из востребованных и перспективных соединений для создания керамических материалов, обладающих высокой
прочностью, твердостью и термостойкостью при низком удельном весе, окалиностойкостью и инертностью во многих агрессивных средах, низким коэффициентом трения. Широкому применению нитридокремниевых материалов способствуют практически безграничные запасы сырья для их производства.
Таблица 1 - Результаты расчета по программе «Thermo»
Давление внешней атмосферы, МПа Объем газообразных продуктов, л Адиабатическая температура реакции, К Количество газообразных продуктов, моль Теплоемкость продуктов реакции, Дж/К Энтропия продуктов реакции, Дж/К Энтальпия продуктов реакции, кДж
Na£iF6+4NaN3
2 35,7737 1580,5832 5,3387 ббб,558б 2310,2294 -27б4,8154
3 23,8517 1581,2734 5,33б9 ббб,б309 2292,2857 -27б4,7350
4 17,8898 1581,б218 5,33б0 ббб,бб74 2279,5471 -27б4,б944
5 14,3123 1581,8328 5,3355 ббб,б895 22б9,бб33 -27б4,бб97
б 11,9272 1581,9735 5,3351 ббб,7042 22б1,5859 -27б4,б533
Na£iF6+4NaN3+Si
2 37,7971 1884,5542 4,7308 709,03б9 2393,9542 -27б4,5б43
3 25,1703 1890,3759 4,7110 709,7951 2378,053б -27б4,5403
4 18,8513 1892,0538 4,7003 710,1709 23бб,2478 -27б5,5822
5 15,0775 1894,1713 4,б939 710,420б 2357,б305 -27б5,398б
б 12,5б25 1895,б1б8 4,б89б 710,5907 2350,5858 -27б5,2709
Na2SiF6+4NaN3+2Si
2 38,2307 2122,5771 4,2485 748,0787 24б0,3б11 -27б4,58б9
3 25,2731 2139,9559 4,178б 750,б8бб 2445,7080 -27б5,5534
4 18,8759 2150,7097 4,1404 752,140б 2435,9705 -27б5,1025
5 15,0583 2157,5294 4,1157 753,0753 2428,4091 -27б4,8940
б 12,5232 21б2,25б4 4,0984 753,7288 2422,2348 -27б4,783б
Na2SiF6+4NaN3+3Si
2 38,0б79 2307,2199 3,8918 783,5920 251б,б058 -27б4,5098
3 24,8234 2341,9572 3,7502 788,9134 2503,б398 -27б4,7242
4 18,3б43 23б2,5789 3,ббб9 792,0334 2494,8449 -27б4,5528
5 14,5509 237б,1743 3,б111 794,1129 2488,0908 -27б4,5б19
б 12,0412 2385,7954 3,5714 795,5851 2482,б47б -27б4,5б13
Na2SiF6+4NaN3+4Si
2 37,б954 2455,0950 3,б21б 81б,8991 25б5,7390 -27б4,8б13
3 24,049б 2507,8842 3,3929 825,5124 2553,9017 -27б4,9175
4 17,514б 2540,1279 3,2528 830,7455 254б,039б -27б4,7111
5 13,71б7 25б1,8308 3,1574 834,284б 2540,1183 -27б4,б521
б 11,2484 2577,4041 3,0883 83б,8333 2535,3849 -27б4,б534
Na2SiF6+4NaN3+5Si
2 37,2145 257б,б380 3,40б8 849,1б93 2б09,7941 -27б4,5219
3 23,0059 2б47,8410 3,0741 8б1,7310 2598,б008 -27б5,2529
4 1б,3б48 2б92,8923 2,8бб9 8б9,4819 2591,б8б0 -27б4,7571
5 12,582б 2723,5774 2,7243 874,753б 258б,5б40 -27б4,5887
б 10,1б7б 2745,8504 2,б203 878,5723 2582,5388 -27б4,5230
Продолжение^ таблицы 1
Давление внешней атмосферы, МПа Объем газообразных продуктов, л Адиабатическая температура реакции, К Количество газообразных продуктов, моль Теплоемкость продуктов реакции, Дж/К Энтропия продуктов реакции, Дж/К Энтальпия продуктов реакции, кДж
Na2SiF6+4NaN3+6Si
2 36,3556 2674,5894 3,2063 881,9912 2648,9901 -2764,7865
3 21,5899 2763,7233 2,7640 898,8770 2638,9662 -2764,7041
4 14,8306 2821,7039 2,4795 909,5116 2632,7459 -2764,5779
5 11,0753 2862,2223 2,2818 916,7770 2628,2479 -2764,8181
6 8,7412 2892,4138 2,1385 922,0083 2625,0169 -2764,4815
Na2SiF6+4NaN3+7Si
2 34,6304 2746,8188 2,9738 917,3343 2683,5903 -2765,4558
3 19,5034 2850,5028 2,4208 938,6264 2674,6418 -2765,0841
4 12,8425 2921,4306 2,0734 951,8187 2670,6870 -2761,0042
5 9,0950 2973,8296 1,8037 961,4644 2665,5703 -2765,4984
6 6,8862 3013,6570 1,6169 968,2106 2663,1423 -2765,0119
Na2SiF6+4NaN3+8Si
2 31,2592 2781,3254 2,6509 958,0134 2713,5344 -2764,5184
3 16,6084 2893,7103 2,0307 981,8918 2705,6531 -2764,5184
4 10,1774 2975,3760 1,6135 997,4101 2701,2868 -2764,5184
5 6,8371 3036,5684 1,3276 1007,7383 2698,5541 -2764,5184
6 4,7903 3088,4749 1,0975 1015,9031 2696,7196 -2764,5184
В настоящее время актуальным является разработка методов получения керамических порошков и материалов на основе нитрида кремния.
К принципиально новым методам синтеза неорганических веществ относится самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Метод СВС основан на экзотермическом взаимодействии химических соединений, протекающем в режиме горении [1, 2].
Цель работы: исследование возможности получения порошка нитрида кремния из системы «гексафторсиликат натрия - азид натрия» по азидной технологии СВС.
Термодинамический анализ возможности синтеза целевых тугоплавких продуктов проводился с помощью компьютерной программы «Thermo», разработанной в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (г. Черноголовка, Московской обл.).
Расчетные значения адиабатических температур реакций и равновесных концентраций продуктов синтеза при образовании нитрида кремния от содержания кремния при различном давлении азота, закачиваемого в реактор приведены в таблице 1.
Из представленных данных видно, что с увеличением содержание элементного кремния в шихте резко увеличивается адиабатическая температура горения. Интервал изменения адиабатической температуры в зависи-
мости от содержания кремния составляет около 1500 К. При этом при увеличении давления внешней среды (азота), адиабатическая температура растет не значительно, не более чем на 150 К.
В таблице 2 и рисунке 1 представлены результаты исследований горения систем СВС-Аз для синтеза нитрида кремния.
Таблица 2 - Результаты горения системы «х 81+Ыа281Рб+4ЫаЫз»
Система Средняя максимальная температура горения, К Средняя скорость горения, мм/с Скачек давления, МПа
Ка2Б1Рб + 4№Кз 108з 5 - 10 0,з - 0,5
Ка2Б1Рб + 4№Кз + 2Б1 1128
Ка2Б1Рб + 4№Кз + 5Б1 119з
Ка2Б1Рб + 4№Кз + 8Б1 125з
Бремя проведения реакции,т, с
Рисунок 1 - Типичный вид термограммы горения систем «Ка281Рб + 4КаЫз
+
Видно, что с увеличением содержания элементного кремния в исходной смеси, повышается температура горения.
На рисунке 2 представлены результаты рентгенофазового анализа продуктов, синтезированных из смеси «4КаКз+Ка281Рб+88Ь>, до и после промывки.
Рисунок 2 - Рентгенограмма промытых продуктов, синтезированных из
смеси «4КаК3+Ка281Рб+8Б1»
Представленные рентгенограммы свидетельствуют о том, что при горении данной смеси образуется свободный кремний (81), фторид натрия (КБ) и нитрид кремния (а- и Р-813К4).
Результаты рентгенофазового анализа продуктов горения всех исследуемых смесей обобщены в таблице 3.
Таблица 3 - Фазовый состав продуктов горения
Система Фазовый состав продуктов горения
до промывки после промывки
№28^ + 4КаК КБ, 81 81
№28^ + 4КаК + 281 КБ, 81 81
№28^ + 4КаК3+ 581 КБ, 81 81, 0-8^4, а-8ЬК
Ка281Бб + 4КаК + 881 КаБ, 0-8^4, а-8№, 81 0-8^4, а-813К4, 81
В системах, содержащих менее 5 молей кремния, нитрид кремния не образуется. Это объясняется низкой температурой горения данных систем. В системах, содержащих 5 молей кремния, образуется незначительное количество нитрида кремния. В системах, содержащих 8 молей кремния, образуется целевой нитрид кремния, с незначительным количеством свободного кремния.
Определение топографии поверхности и морфологии частиц порошков проводилось с использованием растрового электронного микроскопа «1ео1», обладающего высокой разрешающей способностью и глубиной резкости. Результаты микроструктурного анализа порошка, синтезированного в системе «Ка281Е6+4КаК3+881», представлены на рисунке 3.
,-Д 150 31 пт 113.14 пт
Л м
*
30 к V Х25,000 1|лп
а) б)
Рисунок 3 - Морфология частиц продуктов горения системы
«Ка281Еб+4КаК3+881»: а) непромытый, б) промытый
Нитрид кремния, синтезированный из системы «Ка281Е6+4КаК3+881», представляет собой волокна диаметром от 70 до 230 нм.
Таким образом, использование азидной технологии СВС позволяет синтезировать наноразмерные волокна нитрида кремния из смеси «кремний -азид натрия - гексафторсиликат натрия».
Список литературы
1. Бичуров, Г. В. СВС тугоплавких нитридов с использованием азида натрия и галоидных солей // Изв. вузов Цветная металлургия, 2001. №2. С. 55-61.
2. Амосов, А.П. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов: монография / А. П. Амосов, Г. В. Бичуров. - М.: Машиностроение-1, 2007. - 526 с.
Maydan Dmitriy Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: mtm.samgtu@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
Titova Yuliay Vladimirovna, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: titova600@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
INVESTIGATION OF THE POSSIBILITY OF SILICON NITRIDE OBTAINING FROM THE "SODIUM FLUOROSILICATE - SODIUM AZIDE" SYSTEM BY THE AZIDE SHS TECHNOLOGY
Abstract. In this contribution the SHS azide technology for receiving nitrides is reviewed. The results if experimental and theoretical researches of synthesis process of aluminum nitride micro- and nanopowders in «Na2SiF6+4NaN3+xSi» system in the combustion mode are presented. Combustion and synthesis properties are established. Silicon nitride micro- and nanopowders particles morphology is studied.
Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, halide salt, sodium azide, silicon nitride, nanopowder.
