Исследования горения систем для синтеза нитридной композиции Si 3n 4-tin Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРЕНИЯ СИСТЕМ ДЛЯ СИНТЕЗА НИТРИДНОЙ КОМПОЗИЦИИ Si3N4-TiN Керсон Ирина Александровна, аспирант, ассистент

(e-mail: [email protected]) Кондратьева Людмила Александровна, к.т.н, доцент Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

(e-mail: [email protected])

В данной статье представлены исследования процессов горения систем «галогенид кремния-азид натрия-галогенид титана» и возможности получения наноструктурированных порошков.

Ключевые слова: горение, композиция, нитрид кремния, нитрид титана, галогенид, азид натрия.

Целью работы являлось исследование процессов горения систем для синтеза нитридной композиции Si3N4-TiN из галогенидов кремния и титана по азидной технологии СВС.

В качестве исходного сырья для проведения исследований использовались: порошок (NH4)2TiF6, представляющий собой соль в виде кристаллов белого цвета, порошок Na2TiF6, представляющий собой соль в виде кристаллов белого цвета, порошок (NH4)2SiF6, представляющий собой соль в виде кристаллов белого цвета, порошок K2SiF6, представляющий собой соль в виде кристаллов бестветного цвета, порошок Na2SiF6, представляющий собой соль в виде кристаллов белого цвета.

Результаты по синтезу нитридной композиции Si3N4-TiN в зависимости от соотношения компонентов в исходной шихте, представлены на рисунке 1. Результаты ренгенофазового анализа продуктов горения исследуемых систем представлены в таблице 1. Морфология частиц конечного продукта при разном соотношении компонентов (галогенида кремния или галогени-да титана) представлена на рисунке 2.

Из представленных на рисунке 1а и 1б зависимостей видно, что с увеличением содержания Na2SiF6 (от 3 до 12 моль) в смеси Na2SiF6+NaN3+Na2TiF6 температура горения возрастает с 650 до 1400 С, а при увеличении содержания Na2TiF6 (от 1 до 4 моль) в смеси Na2SiF6+NaN3+Na2TiF6 температура горения возрастает с 650 до 1250 С Скорость горения постоянна - 1,0 см/с, кислотно-щелочной баланс промывной воды (рН) постоянен и равен 8. Из представленной на рисунке 1в зависимости видно, что с увеличением содержания (NH4)2SiF6 (от 3 до 12 моль) в смеси (NH4)2SiF6+NaN3+(NH4)2TiF6, скорость и температура горения снижаются с 1200 до 1100 С и с 0,3 до 0,2 см/с (начиная с 3 до 4 моль) соответсвенно, рН постоянен и равен 8.

Содержание яКагЗ^б, моль —Температура го реши, Т, °С -Ш-Скоростъ гореши, и, см/с

Содержание уЯиТТв, мояь —Тгшкр«>рв гореши, ТГ°С —Скорма Гфемп. V, снЛ

Содержание хОШфЗТб, мота. —Температура гореши, Т, °С —Скорость горения, и, см/с

Содержание уфМфИРв, моль —Температур» гсрсннл, Г, "С

Содержание хШвЙ?«, моль —Температура горения, Т, °С —•—Скорость горения, II, см/с

Содержание у^фТ^б, моль —Температура горения, Т, °С -1- Скорость горения, и, см/с

^ 1-100

Содержание х(МН4)2$1Р«, моль —Температура гореши, Т, °С Скорость горения, II, см/с

Содержание уМагТТ ш а гсрпви, Т, X Скорость горегая, и, оЛ

ж)

1400 1М0

V

V

«1

1.1 3

0,9 I

(Л7 5

Содержание хЮЗ^б, моль —Температура гореюи, Т, °С Скорость гореши, и, см/с

и)

к

V

1.5

» I

и =»

0,9 |

л,; £

№ 1

0-3 О «11 -ОД

Содержание уХаШ*. моль —Твмюриура горсиня, Т, 'С —■—Сь^ххтъ гореши, II, см/с

Содержание хЮЗ^б, моль —Температура гореши, Т, °С —•—Скорость гореши, и, см/с

Содержание ДОНфТВД, медь

—Тсширяура то(мш. I, *С

к) л) м)

Рисунок 1. Зависимость температуры и скорости горения от соотношения компонентов (х или у) в исходной шихте: а) хКа281Р6+КаКз+Ка2Т1Рб; б) Ка281Бб+КаКз+уКа2Т1Рб; в) х^Ыд^Рб+Ка^+^Н^Рб; г) (ад^Рб+Ка^+у^^^Рб; д) хКа281Рб+КаКз+(КН4)2Т1Рб; е) Ка281Рб+КаКз+у(КН4)2Т1Рб; ж) х^^^Рб+Ка^+^^Рб; з) (ад^Рб+Ка^+у^^Рб; и) х^Рб+Ш^+^^Рб; к) ВДЯ'б+КаКз+у^ТЯ'б; л) хК281Р6+КаКз+(КН4)2Т1Р6; м) ^Рб+Ка^+у^^^Рб

Таблица 1 - Результаты ренгенофазового анализа продуктов горения

систем СВС-Аз

Количество компонентов х и у в системе РФА

Состав исходной шихты №1 «хКа281Е6-КаК3-уКа2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 1 моль ™ = 33 %, Т1812 = 30 %, 81 = 37 %; Т^ = 0 %

х = 9 моль и у = 1 моль ™ = 23 %, Т1812 = 11 %, 81 = 66 %; ад = 0 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 36 %, Т1812 = 32 %, 81 = 20 %, ад = 12 %

Состав исходной шихты №2 «х(КН4)281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 71 %, 81 = 29 %

х = 9 моль и у = 3 моль ™ = 47 %, 81 = 53 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 80 %, 81 = 20 %

Состав исходной шихты №3 «хКа281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 1 моль ™ = 60 %, 81 = 40 %

х = 9 моль и у = 1 моль ™ = 53 %, 81 = 47 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 77 %, 81 = 23 %

Состав исходной шихты №4 «х(КН4)281Е6-КаК3-уКа2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 1 моль Т1К = 44 %, а-8^ = 0 %; 81 = 42 %; Т1 = 14 %; ^ТЯ^ = 0 %

х = 9 моль и у = 1 моль ™ = 25 %, а-8^4 = 7 %; 81 = 7 %; Т1 = 39 %; ^ТЯ^ = 22 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 80 %, а-8^ = 0 %; 81 = 10 %; Т1 = 10 %; N2^ = 0 %

Состав исходной шихты №5 «хК281Е6-КаК3-уКа2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 1 моль ТШ = 48 %, а-8^ = 0 %, Р-8^4 = 0 %, 81 = 33 %, Т1 = 18 %

х = 9 моль и у = 1 моль ™ = 32 %, а-8^4 = 0 %; Р-813К4 = 0 %; 81 = 52 %, Т1 = 16 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 60 %, а-813К4 = 0 %, Р-813К4 = 0 %, 81 = 20 %, Т1 = 20 %

Состав исходной шихты №6 «хК281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 1 моль ™ = 65 %, а-813К4 = 0 %, Р-813К4 = 0 %, 81 = 35 %, Т1 = 0 %

х = 9 моль и у = 1 моль ™ = 33 %, а-813К4 = 19 %; Р-813К4 = 0 %; 81 = 48 %, Т1 = 0 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 82 %, а-813К4 = 0 %, Р-813К4 = 0 %, 81 = 18 %, Т1 = 0 %

ЗОкУ Х25.000 1иш

х = 3 моль; у = 1 моль х = 9 моль; у = 1 моль х = 3 моль; у = 3 моль

а)

15ЬУ Х15,0<М

у/

Г.Т

•

lH.fl гт к- ' " |1ЯИ ш»

1ЯЛ1 Х15.0И1 1||т

х = 3 моль; у = 1 моль

х = 9 моль; у = 1 моль

б)

х6 = 3 моль; у = 3 моль

Г дй

301^ Х15,000 111П1

х = 3 моль; у = 1 моль х = 9 моль; у = 1 моль х = 3 моль; у = 3 моль

В) _

х = 3 моль; у = 1 моль х = 9 моль; у = 1 моль х= 3 моль; у = 3 моль

Г)

х = 3 моль; у = 1 моль х = 9 моль; у = 1 моль

Д)

Г 4

х = 3 моль; у = 3 моль

х = 3 моль; у = 1 моль х = 9 моль; у = 1 моль х = 3 моль; у= 3 моль

е)

Рисунок 2. Морфология частиц конечного продукта, синтезированного в

системах:а) «хКа281Е6-КаК3-уКа2Т1Е6»; б) «х(КН4)281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Б6»; в) «хКа281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Б6»; г) «х(КН4)281р6-КаК3-уКа2Т1Б6»; д) «хК281Е6-КаК3-уКа2Т1Е6»; е) «хК281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Е6»

Из представленной на рисунке 1г зависимости видно, что с увеличением содержания (NH4)2TiF6 в смеси (NH4)2SiF6+NaN3+(NH4)2TiF6, скорость и температура горения растут, кислотно-щелочной баланс промывной воды постоянен и равен 8. Из представленных на рисунках 1д и 1е зависимостей видно, что с увеличением содержания Na2SiF6 в смеси Na2SiF6+NaN3+(NH4)2TiF6, скорость и температура горения снижаются, кислотно-щелочной баланс промывной воды имеет рН = 6-7. Из представленных на рисунках 1ж и 1з зависимостей видно, что с увеличением содержания (NH4)2SiF6 в смеси (NK4)2SiF6+NaN3+Na2TiF6 температура горения возрастает, а скорость горения постоянна, кислотно-щелочной баланс промывной воды также постоянен и равен 8. Из представленных на рисунках 1л и 1м зависимостей видно, что с увеличением содержания K2SiF6 в смеси K2SiF6+NaN3+Na2TiF6 температура и скорость горения возрастают, кислотно-щелочной баланс промывной воды постоятен и равен 9. Из представленных на рисунках 1н и 1о зависимостей видно, что с увеличением содержания K2SiF6 в смеси K2SiF6+NaN3+(NH4)2TiF6 температура и скорость горения возрастают, кислотно-щелочной баланс промывной воды постоянет и равен 9. Это говорит о том, что в процессе горения остаются частицы натрия, который при взаимодействии с водой, при водной промывке образца, образует соединение Na2O и тем самым повышает кислотно-щелочной баланс.

Таким образом, в ходе экспериментов было установлено влияние соотношения исходных компонентов (галогенидов кремния и титана) на скорость и температуру горения, а следовательно на фазовый и гранулометрический состав конечного продукта. Было изучено структурообразование конечного продукта (рисунок 2), представляющего собой субмикрокристаллический порошок, имеющий игольчатую, пластинчатую, а также равноосную форму со средним размером частиц 100-200 нм.

Kerson Irina Aleksandrovna, postgraduate student, assistant (e-mail: [email protected]) Samara state technical University, Samara, Russia Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,

candidate of technical science, associate Professor Samara state technical University, Samara, Russia (e-mail: [email protected])

STUDY OF COMBUSTION SYSTEMS FOR THE SYNTHESIS OF NITRIDE COMPOSITION Si3N4-TiN

Abstract. This article presents studies of combustion systems «silicon halide-sodium azide-halide of titanium» and the possibility of obtaining nanostructured powders.

Keywords: combustion, composition, silicon nitride, titanium nitride, halide, sodium azide.