CC BY
12
DOI: 10.47581/2020/30.10.2020/SMTT/32.5.007
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА СИАЛОНА В РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ (СВС-АЗ) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЧНОГО ПЕСКА Кондратьева Людмила Александровна, д.т.н., профессор (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Представлены результаты исследования возможности получения порошка сиалона по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с применением азида натрия и использованием в исходной шихте в качестве одного из источников азотируемого элемента -речной песок.
Ключевые слова: СВС, азид натрия, сиалон, песок.
Сиалон - это сокращенное название соединения Silicon Aluminium Oximtride. Он впервые был получен в 1970 году и назван по первым буквам элементов входящих в состав: Si-Al-O-N. Сиалон представляет собой твердый раствор переменного состава, образующийся на основе нитрида кремния путем замещения атомов кремния алюминием и атомов азота кислородом. Сиалоны существуют в трех основных формах, которые изо-структурны с одной из двух распространенных форм нитрида кремния, а и ß, и с ромбическим оксинитридом кремния [1, 2].
В сиалоне к свойствам нитрида кремния Si3N4 (низкое термическое расширение, стойкость к теплосменам, высокая температурная прочность) добавляются свойства оксида алюминия А12О3 (кислотоустойчивость, хорошее сопротивление к действию различных шлаков) [3].
Существует достаточно большое количество способов получения сиалона. Можно выделить некоторые из них, которые нашли промышленное применение:
- реакционное спекание смеси порошков нитридов,
- металлотермический процесс,
- искровое плазменное спекание,
- самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) [4-6].
Одной из разновидностей самораспространяющегося высокотемпературного синтеза является СВС технология с использованием в качества азотируемого элемента в реакционной шихте порошок азида натрия, а в качестве источника азотируемого элемента - галоидные соли элементов. Такая технология получила название - азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз) [7-13].
Целью данной работы является изучение возможности получения сиа-лона в режиме горения по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из системы, состоящей из галоидных солей алюминия и кремния, азида натрия и речного песка (SiO2).
Исследования возможности синтеза сиалона в режиме СВС-Аз проводились на системе:
2SiO2+15NaNз+3AlFз+(NH4)2SiF6 = SiзAlзOзN5+15NaF+21N2+0,5O2+4N2;
В качестве оксида кремния в исходную шихту добавлялся речной песок [14], химическая формула которого SiO2 (рисунок 1), с незначительным количеством оксида железа, оксида алюминия и др. в составе. В речном песке обычно не бывает частиц глины и других примесей, так как он моется естественным путем.
к и о
5 к
Д -
о я о я и ае
X
2 ю
А
|
1 М Й
^ ад ^ имля;
А ¡А
А
д
д А
20, [рад
Рисунок 1. Дифрактограмма речного песка (исходного компонента системы «2SiO2+15NaN3+3AlF3+(NH4)2SiF6»)
При проведении экспериментальных исследований по синтезу сиалона в лабораторном реакторе в режиме СВС-Аз были выбраны следующие условия: плотность исходной шихты - относительная (5 = 0,34), диаметр образца - 30 мм, давление азота в реакторе - 4 МПа [8, 12].
Реакционная шихта для синтеза сиалона по технологии СВС-Аз состояла из исходный компонентов ^Ю2, NN3, AlF3, (NH4)2SiF6), которые смешивались в керамической ступке. Готовую шихту ссыпали в кальковый стакан. Затем этот стакан с исходной смесью помещался в реактор. В шихту, для регистрации температуры ее горения в ходе синтеза, вводили две вольфрам-рениевые термопары [15]. А для проведения реакции в виде самораспространяющегося горения к шихте подводили вольфрамовую спираль [16], которая погружалась в образец на незначительную глубину так, чтобы не касаться термопар, находящихся в образце. Далее проводили реакцию горения. Температура горения и другие характеристики синтезируемого продукта представлены в таблице 1.
После прохождения фронта горения и остывания образца внутри реактора, в течении 20 минут, продукт вынимался из реактора. В результате горения исходной шихты конечный продукт представлял собой образец цилиндрической формы, состоящий из частиц порошка светло-серого цвета (рисунок 1). Верхний слой образца (темно-серый), представляющий собой не до конца сгоревший (обуглившийся) кальковый стакан, счищался и выкидывался.
Таблица 1-Результаты синтеза системы «28102+15№^+3АШ3+(^КН4)28Ш6»
и характеристики синтезированного продукта в режиме СВС-Аз
Состав исходной шихты Температура горения, оС Кислотно-щелочной баланс (рН) Цвет порошка конечного продукта Процесс разрушения образца после сгорания шихты Состав синтезированного продукта (РФА)
8102, NN3, АШ3, №)281Бб 1250 9 светлосерый легко 8ЬАЬ03^, 8^4, АШ, ^АШб, 81, NaF
Рисунок 2. Внешний вид синтезированного продукта, полученного в режиме горения из системы «28102+15№^+3АШ3+(^КН4)28Ш6»
Температура горения исследуемой системы была высокой - выше 1200 оС (таблица 1). Такая температура является достаточной для синтеза сиалона в режиме горения.
После извлечения из реактора предметной полочки с синтезируемым СВС-продуктом было замечено, что она вся покрыта слоем мелкого порошка серо-бежевого цвета (рисунок 2). Это обстоятельство говорит о том, что реакция горения исходной шихты проходила активно, с образованием большого количества газообразных продуктов, которые «вылетали» из образца и после прохождения фронта горения и уменьшения температуры синтеза (остывания) оседали на предметной полочке, а так же и на всех поверхностях внутри реактора (стенках, дне).
Из результатов рентгенофазового анализа на дифрактограмме (рисунок 3) видно, что в синтезированном продукте содержится сиалон состава
813А1303К5. Однако, кроме сиалона в составе порошкового продукта присутствуют частицы нитрида кремния 813К4, нитрида алюминия АШ, кремния и двух галоидных солей - гексафторалюмината натрия Ка3ЛШ6 и фторида натрия ЫаР.
о я
О □
' V).
I
|||
пОО,
V \ ■ А/1 вщ ИИ/ \г • о о
#
11
Г| I»,/
II Щ V
V V У 1,п
да*
I
А л ? о ¡! а [\1 о по о ад о
ко
□ - ЯзАЬОД*;
О -А1К
□
Д -КаГ О
О -
и, .
—'--Г--т-1-г--1-1-г--т-1-'--1--т-Г--т--1-г--|--т--!--т--1-г--1-
30.0 14.0 38,0 12.0 46.0 50.0 54.0 50.0 62.0 66.0 10.11 14.0 7В.0
20, град
Рисунок 3. Дифрактограмма конечного продукта, синтезированного из системы «28Ю2+15КаК3+3АШ3+(КН4)281Е6» в режиме СВС-Аз
Рисунок 4. Морфология и размер частиц конечного продукта (при различном увеличении Х10.000 и Х20.000), синтезированного из системы «28Ю2+15КаК3+3АШ3+(КН4)281Е6» в режиме СВС-Аз
С помощью растрового электронного микроскопа была исследована морфология и размер частиц конечного продукта. На рисунке 4 видно, что конечный продукт представляет собой порошок со средним размером частиц 180-200 нм. Форма частиц синтезированного продукта - равноосная с большой развитой поверхностью.
Таким образом, по результатам исследований можно сделать вывод о том, что из системы «28Ю2+15КаК3+3АШ3+(КН4)281Е6» в режиме горения по технологии СВС-Аз порошок сиалона был получен [17]. Однако синте-
зированный продукт представлял собой не «чистый» порошок сиалона, а композицию из нескольких соединений и элементов:
SÍ3AI3O3N5 - SÍ3N4 - AlN - Na3ÄlF6 - Si - NaF.
Список литературы
1. Jack K. H. «Sialons and related nitrogen ceramics» / Journal of Materials Science. 1976, 11 (6), P. 1135-1158.
2. Cao G. Z., Metselaar R. «a'-Sialon ceramics: A review» / Chemistry of Materials. 1991, 3 (2), P. 242.
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Sialon - Википедия «Сиалон».
4. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика / Сборник научных статей под ред. Е.А. Сычева.- Черноголовка: Территория, 2001.- 432 с.
5. Мержанов А.Г. Процессы горения и синтез материалов / А.Г. Мержанов.- Черноголовка: ИСМАН, 1998.- 512 с.
6. Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. Твердопламенное горение.- М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007.- 336 с.
7. Amosov A.P., Bichurov G.V., Bolshova N.F., Erin V.M., Makarenko A.G., Markov Yu.M. Azides as Reagents in SHS Processes / International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 1992. Vol.1, No.2.- P. 239-245.
8. Амосов А.П., Бичуров Г.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов: Монография. М.:Машиностроение-1, 2007.- 526 с.
9. Bichurov G.V. The Use of Halides in SHS Azide Technology / International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2000. Vol.9, No.2.- P. 247-268.
10. Амосов А.П., Бичуров Г.В., Макаренко А.Г., Марков Ю.М. Технология СВС-Аз: Справочник «Научно-технические разработки в области СВС».- Черноголовка: ИСМАН, 1999.- С. 140-142.
11. Амосов А.П., Бичуров Г.В., Марков Ю.М., Макаренко А.Г. Получение порошков нитридов и карбонитридов в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с использованием неорганических азидов / Междун. научно-техн. и производ. журнал «Огнеупоры и техническая керамика».- М.: Металлургия.- № 11, 1997.- С. 2226.
12. Бичуров Г.В., Шиганова Л.А., Титова Ю.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридных композиций: Монография.- М.: Машиностроение, 2012. 519 с.
13. Косолапов В.Т., Левашев А.Ф., Бичуров Г.В., Марков Ю.М. Синтез тугоплавких нитридов в режиме горения с применением твердых азотирующих реагентов / Тугоплавкие нитриды.- Киев, 1983.- С. 27-30.
14. Кондратьева Л.А. Изучение возможности получения из осадочной горной породы порошка нитрида кремния / Научно-практический рецензируемый журнал «Современные материалы, техника и технологии», №5 (26).- Курск, 2019.- С. 62-67.
15. Кондратьева Л.А. Термопары ВР5/20 для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза азотсодержащих продуктов / Журнал «Журнал естественнонаучных исследований», том 4, №3, 2019.- С. 2-6.
16. Кондратьева Л.А. Роль вольфрамовой спирали в азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Журнал «Журнал технических исследований», том 5, №4, 2019.- С. 40-42.
17. Кондратьева Л.А. Изучение теоретических расчетов и экспериментальных результатов исследований получения порошка сиалона методом СВС-Аз / Журнал «Современные материалы, техника и технологии», №3(30).- Курск, 2020.- С. 27-31.
Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,
doctor of technical sciences, Professor
(e-mail: [email protected])
Samara state technical University, Samara, Russia
INVESTIGATION OF THE POSSIBILITY OF OBTAINING
SIALON POWDER IN THE COMBUSTION MODE GORENJE
(SVS-AZ) USING RIVER SAN
Abstract. The results of a study of the possibility of obtaining Sialon powder using the technology of self - propagating high-temperature synthesis using sodium azide and using river sand as one of the sources of the nitrided element in the initial charge are presented. Keywords: SHS, sodium azide, Sialon, sand.
DOI: 10.47581/2020/30.10.2020/SMTT/32.5.008 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОДУКТОВ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ ИЗ РАЗНЫХ СИСТЕМ «ГАЛОГЕНИД БОРА + АЗИД НАТРИЯ + ГАЛОГЕНИД ТИТАНА»
В РЕЖИМЕ СВС-АЗ Кондратьева Людмила Александровна, д.т.н, профессор (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Представлены результаты исследований возможности получения порошкового композита BN-TiN из систем «галогенид бора + азид натрия + галогенид титана» по азидной технологии СВС. Дано описание фазового состава и морфологии (формы и размера) частиц порошка конечного продукта. Проведен сравнительный анализ полученных результатов исследования.
Ключевые слова: СВС, порошок, композит, нитрид титана, нитрид бора, азид натрия.
Были проведены экспериментальные исследования по синтезу порошкового композита BN-TiN по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз) из разных систем. Технология СВС-Аз подробно описана во многих источниках литературы [1-10, 15].
Исследуемые системы представляли собой смесь трех компонентов [11]. Одинаковыми во всех системах являлся один компонент - азид натрия (NaN3), остальные компоненты варьировались. Исходными компонентами в реакционных системах выступали галоидные соли азотируемых элементов (KBF4, NH4BF4, Na2TiF6, (NH4)2TiF6), которые играли роль прекурсоров.
Исследования возможности синтеза порошкового композита BN-TiN были проведены на 8-ми системах с различным соотношением коэффициентов х и у (то есть либо галоидной соли бора, либо галоидной соли титана) [12-15]:
- «xKBF4+NaN3+(NH4)2TiF6»,
