CC BY
31
УДК 666.775-798.2
ИЗУЧЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА СИАЛОНА МЕТОДОМ СВС-Аз Кондратьева Людмила Александровна, д.т.н., профессор (e-mail: schiglou@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Представлены результаты термодинамических расчетов возможности теоретического получения в режиме горения сиалона, а также экспериментальные результаты по синтезу порошка сиалона из разных систем в режиме СВС-Аз, в составе которых одним из исходных компонентов являлся речной песок.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, сиалон, песок, диоксид кремния.
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.
В сиалоне к свойствам нитрида кремния Si3N4 (низкое термическое расширение, стойкость к теплосменам, высокая температурная прочность) добавляются свойства оксида алюминия Al203 (кислотоустойчивость, хорошее сопротивление к действию различных шлаков).
Известно, что материалы категории a/ß-сиалонов характеризуется уникальным сочетанием еще более высокой твердости по сравнению с обычным Si3N4 с таким же высоким уровнем прочности. а-сиалоновая фаза обладает высокой твердостью, в то время как ß-сиалоновая фаза - как и обычный Si3N4 - обладает высокой ударной вязкостью.
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.
Целью данной работы является изучение теоретических расчетов и экспериментальных результатов исследований по самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу (СВС-Аз) порошка сиалона из систем, состоящих из галоидных солей, азида натрия и в качестве кремнийсодержа-
щего компонента - речного песка, с добавлением в некоторых системах элементного кремния.
Таким образом, для проведения исследований возможности синтеза сиа-лона в режиме СВС-Аз были выбраны системы и составлены уравнения реакций:
Система №1:
28Ю2+6КаКз+3ЛШз+81 = 81зЛ1з0зК5+6КаБ+6,5К2+0,502;
Система №2:
28Ю2+15КаКз+3ЛШз+(КН4)231Рб = 81зЛ1з0зК5+15КаБ+2Ш2+0,502+4К2;
Система №3:
28102+9КаКз+зКазЛ1Бб+81 = 81зЛ1з0зК5+18КаБ+1Ш2+0,502;
Система №4:
28Ю2+24КаКз+зКазЛШб+(КН4)281Еб =
= 81зЛ1з0зК5+24КаБ+з4,5К2+0,502+4К2.
Известно, что в состав речного песка входят оксиды кремния, железа и алюминия (таблица 1). Его химическая формула - 8Ю2. В речном песке обычно не бывает частиц глины и других примесей, так как он моется естественным путем.
Таблица 1 - Химический состав речного песка
Наименование Окислы Сумма
8Ю2, % Бе20з, % ЛЬ0з, % Са0, % 99,60
Речной песок 97,19 0,2з 1,12 0,60
Так как речной песок более чем на 97 % состоит из диоксида кремния, то его экономически выгодно использовать для получения сиалона в связи с его небольшой стоимостью по сравнению с порошком 8Ю2.
Перед проведением экспериментальных исследований были проведены термодинамические расчеты, показывающие теоретическую возможность получения в режиме горения исходной смеси сиалона и реализуемые при этом значения адиабатической температуры и энтальпии (таблица 2).
Из таблицы 2 видно, что все системы СВС-Аз, кроме системы №1 «28Ю2+6КаКз+зЛШз+81», которая имеет комнатную адиабатическую температуру реагирования шихты, способны к самостоятельному горению. Также адиабатические температуры реагирования шихты систем №з и №4 не достаточны для получения сиалона, так как известно, что сиалон возможно получать при температуре от 1400 °С.
Энтальпия во всех расчетах имеет отрицательные значения (со знаком минус «-»), что говорит о том, что реакция взаимодействия компонентов шихты является экзотермической, то есть идет с выделением тепла. Само значение количества энтальпии говорит о том, что полученное количество энергии, достаточно для преобразования в теплоту при данных заданных температуре и давлении.
Таблица 2 - Результаты термодинамических расчетов систем, содержащих в качестве одного из кремнийсодержащих компонентов речной песок
Номер системы Адиабатическая температура реагирования шихты, Тр, К Энтальпия, кДж Теоретически получаемые продукты
1 298 - 6214 F, Si, N2, NaF, AlN, Al2Oз
2 1559 - 8574 Я, N2, NaF,
3 1269 - 11586 N2, NaF,
4 1268 - 12590 Ш, N2, NaF, SiзN4, AlN, Al2Oз
Согласно термодинамическим расчетам конечный продукт будет состоять из нитрида кремния, нитрида алюминия и оксида алюминия (таблица 2). Исключение составляет система №1, по результатам которой в конечных теоретически получаемых продуктах отсутствует нитрид кремния. Таким образом, согласно термодинамическим расчетам сиалон при горении выбранных выше систем и даже системы №2, в которой адиабатическая температура реагирования шихты достаточна для образования сиалона, получиться не может.
При проведении экспериментальных исследований по синтезу сиалона 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.
Реакционная шихта состояла из нескольких компонентов, 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 термопары. А для проведения реакции в виде самораспространяющегося горения к шихте подводили вольфрамовую спираль, которая погружалась в образец на незначительную глубину так, что бы не касаться термопар, находящихся в образце. Далее проводили реакцию горения. Температура горения и другие характеристики синтезируемых продуктов представлены в таблице 3.
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 темно-серого и светло-серого цвета (рисунок 1). Верхний слой образца, представляющий собой не до конца сгоревший (обуглившийся) кальковый стакан, счищался и выкидывался.
Таблица з - Результаты экспериментальных исследований выбранных _систем и характеристика синтезируемых продуктов_
Номер Температура Кислотно-щелоч- Цвет Процесс
системы горения, С ной баланс (рН) порошка разрушения
1 1807 11 темно-серый легко
2 125з 9 легко
з 1зз9 12 светлосерый при значительном приложении давления
4 1497 12 легко
Рисунок 1 - Внешний вид синтезированного продукта полученного по азидной технологии СВС из различных исследуемых систем: а) «28102+6КаКз+зЛ1Бз+81»; б) «28Ю2+15КаМз+зЛШз+(Ш4)281р6»; в) «28102+9КаКз+зКазЛ1Б6+81»; г) «28Ю2+24КаКз+зКазЛ1Е6+(КН4)281р6»
Температура горения исследуемых систем была высокой - выше 1200 оС (и даже достаточной для синтеза сиалона), однако образцы довольно легко измельчались керамическим пестиком в ступке. Исключение составляет продукт, полученный при горении системы №з. Он измельчался до сыпу-
чего порошкообразного состояния также в ручную, но при значительном приложении давления.
После извлечения из реактора предметной полочки с синтезируемым СВС-продуктом было замечено, что она вся покрыта слоем мелкого серого порошка (рисунок 1,а и 1,б). 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) конденсировались не только на предметной полочке, но и на всех поверхностях внутри реактора (стенках, дне).
Таким образом, представленные в статье теоретические расчеты и экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что получение порошка сиалона в режиме горения по технологии СВС-Аз из выбранных систем, в состав которых входит речной песок, возможно. Однако, необходимо провести еще ряд исследований по изучению рентгенофазового состава конечного синтезированного СВС-продукта. Список литературы
1. 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.
2. 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.
Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,
doctor of technical sciences, Professor
(e-mail: schiglou@yandex.ru)
Samara state technical University, Samara, Russia
STUDY of THEORETICAL CALCULATIONS AND EXPERIMENTAL RESULTS of RESEARCH ОN THE PREPARATION OF SIALON POWDER BY THE SHS-AZ METHOD
Abstract. The results of thermodynamic calculations of the theoretical possibility of obtaining Gorenje Sialon, as well as experimental results on the synthesis of Sialon powder from different systems in the SHS-AZ mode, in which one of the initial components was river sand, are presented.
Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, Sialon, sand, silicon dioxide.
