CC BY
12
УДК 666.775-798.2
ИЗУЧЕНИЕ СОСТАВА ПЕСКА, КАК ИСХОДНОГО КОМПОНЕНТА СВС-СИСТЕМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ СИАЛОНА
И НИТРИДА КРЕМНИЯ Кондратьева Людмила Александровна, д.т.н, профессор (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В был изучен химический состав нескольких образцов песка относительно их применения как исходного компонента при получении в режиме горения методом СВС конечного продукта - сиалона или нитрида кремния.
Ключевые слова: песок, химический состав, сиалон, оксид кремния, рентгенофазовый анализ, СВС-Аз.
Песок - это осадочная горная порода, образующаяся при механическом или химическом разрушении (выветривании) твердых пород, преимущественно гранитов. Песок представляет собой рыхлую сыпучую массу, состоящую из скопления округлых (скатанных) и угловатых зёрен (песчинок) различных частиц горных пород и минералов от 0,1 мм до 5 мм в диаметре, без цементирующего вещества и потому не связанных меж собой и обладающих минимальными силами внутреннего сцепления.
Песок представляет собой зерна кварца, которые в свою очередь являются формой существования кристаллического оксида кремния в природе.
Оксид кремния, составляющих основу песка, очень тверд, нерастворим в воде и плавится при температуре порядка 1610 oC превращаясь в бесцветную жидкость, при охлаждении которой получается прозрачная стекловидная масса аморфного оксида кремния. Таким образом, химическая формула песка - это формула оксида кремния SiO2. Она показывает, что в состав данной молекулы входит 1 атом кремния и 2 атома кислорода.
На рисунке 1 видно, что песок состоит из зёрнышек - песчинок. Зёрнышки бывают разной величины: одни покрупнее, другие помельче. Песчинки ничем не скреплены между собой. Песок сыпуч.
Пески по происхождению могут быть морскими, речными, озерными, эоловыми и т. д. По преобладающей величине зерен, слагающих породу, различают крупно, средне и мелкозернистые пески. По минералогическому составу чаще всего встречаются кварцевые пески, реже глауконитовые и так называемые полиминтовые пески, состоящие из различных минералов (кварца, полевых шпатов, слюды и др.).
Кварцевый песок на 90 % состоит из кварца и только 10 % в нем содержится минеральных веществ. Кварцевый песок относится к мономинеральным видам песка, т.е. в нем в большей степени присутствует один минерал. Кварцевые пески распространены в природе больше других видов песков.
Рисунок 1 - Внешний вид песка
Для исследования химического состава песка, используемого в качестве исходного компонента в шихте, предназначенной для получения сиалона и/или нитрида кремния методом СВС-Аз, были проведены исследования 6-ти образцов (рисунок 2). Все образцы песка были взяты в разных местах Самарской области.
Частично судить о составе песка можно уже только посмотрев на него невооруженным газом. На рисунке 2 видно, что образцы имеют разный цвет, который указывает на их различие в химическом составе.
Песок окрашивается в разные цвета из-за наличия в нем оксидов металлов: чистые кварцевые пески - белые, сероватые; окрашенные окислами железа - желтые, красные, коричневые; глауконитовые - зеленые.
Природный песок в зависимости от его месторождения имеет свой отличный химический состав. Одни пески в своем составе имеют карбонат кальция (СaCO3), другие оксид хрома (Cr2O3), а некоторые даже оксид титана (ТЮ2). Но кроме оксидов, в составе песка имеются и минералогические составляющие. Минеральный состав песков представлен кварцем, полевым шпатом, кальцитом, слюдой, иногда могут встречаться глауконит, ангидрит, доломит, циркон и т.д.
При исследовании 6-ти образцов песка все они были подвергнуты рент-генофазовому анализу на дифрактометре (рисунки 3 и 4).
Результаты рентгенофазовых анализов показали, что образцы песка имеют разный состав. В составе песка, кроме основного компонента - оксида кремния БЮ2, содержатся оксиды металлов А1, М^, Бе и другие соединения: оксид магния MgO (образец №1), оксид алюминия А1203 (образцы № 4,5,6), оксид железа Бе203 (образец №6), карбонат магния (магнезит) MgCO3 (образец №5), карбонат кальция (известняк) СаС03 (образцы № 3,4,5,6).
Рисунок 2 - Исследуемые образцы песка
Таблица 1 - Цвет песка из-за примесей оксидов металлов в нем
Цвет песка Присутствие оксида металла в песке
Белый не имеет примесей
Желтая охра оксида железа д0 25%
Красная охра оксида железа до 40%
Ярко-красный сурик оксида железа до 60%
Темно-коричневый оксида железа больше 60%
Черный битума или другая органика
Зеленый оксид меди
Голубой оксида кобальта
Оливково-зеленый окись хрома
Пурпурный и коричневый оксид магния
Серо-зеленый оксид никеля
эл. а о за. о «.о ««.о
54.0 58.0 £2.0 66. и ю.о
2 О. град
б)
и НПО.
_ аОО_
О - БЮ;. ■ - СаСОз
от и
■
го.
во. о 2Н; град
В)
-о 2000_
= 1бсо
= 1200_
Г)
Рисунок 3 - Рентгенофазовый анализ образцов песка: а) образец №1; б) образец №2; в) образец №3; г) образец №4
£ гоао_
<J i600_
a: Mtu_
О - SiOi □ -CaCOj В - AljOj О -MgCOj
во. О
20, град
а)
ж в оо.
20, Арал
б)
Рисунок 4 - Рентгенофазовый анализ образцов песка: а) образец №5; б) образец №6
Таким образом, так как песок в основном состоит из оксида кремния, то его возможно использовать в качестве исходного кремнийсодержащего компонента для получения порошка нитрида кремния [1, 2] и сиалона [3, 4] по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз) [5-13].
Список литературы
1. Бичуров Г.В. Разработка СВС процесса получения порошков Si3N4 и Si3N4-SiC с применением твердых азотирующих реагентов: автореферат дисс. ... канд. техн. наук.-Минск: БР НПО ПМ, 1990 - 20 с.
2. 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.
3. Jack K.H. «Sialons and related nitrogen ceramics» / Journal of Materials Science. 1976, 11 (6), P. 1135-1158.
4. Cao G.Z., Metselaar R. «а'-Sialon ceramics: A review» / Chemistry of Materials. 1991, 3 (2), P. 242.
5. Амосов А.П., Бичуров Г.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов: Монография. М.:Машиностроение-1, 2007.- 526 с.
6. 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.
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. 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.
9. 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.
10. 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 / Огнеупоры и техническая керамика.- М.: Металлургия.- № 11, 1997.- С. 22-26.
11. Кондратьева Л. А. Изучение возможности получения из осадочной горной породы порошка нитрида кремния / Современные материалы, техника и технологии, №5 (26).- Курск, 2019.- С. 62-67.
12. Кондратьева Л.А. Изучение теоретических расчетов и экспериментальных результатов исследований получения порошка сиалона методом СВС-Аз / Современные материалы, техника и технологии, №3(30).- Курск, 2020.- С. 27-31.
13. Кондратьева Л.А. Исследование возможности получения порошка сиалона в режиме горения с использованием речного песка / Современные материалы, техника и технологии, №5 (32).- Курск, 2020.- С. 48-53.
Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,
doctor of technical sciences, Professor (e-mail: [email protected]) Samara state technical University, Samara, Russia THE STUDY OF THE COMPOSITION OF SAND, AS THE INITIAL COMPONENT OF SHS SYSTEMS FOR OBTAINING POWDERS OF SIALONE AND SILICON NITRIDE Abstract. In Gorenje, the chemical composition of several sand samples was studied with respect to their use as a starting component when obtaining the final product - sialone or silicon nitride-in the combustion mode by the SHS method.
Keywords: sand, chemical composition, sialon, silicon oxide, X-ray phase analysis, SHS-Az.
