CC BY
0
УДК 666.775-798.2
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ИСХОДНОГО СОСТАВА КОЛИЧЕСТВА КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ КОМПОНЕНТОВ РЕАКЦИОННОЙ ШИХТЫ НА ВЫХОД СИАЛОНА, ПОЛУЧЕННОГО ПО АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС Валяева Мария Евгеньевна, аспирант (e-mail: valiaeva.maria@yandex.ru) Кондратьева Людмила Александровна, д.т.н., профессор (e-mail: schiglou@yandex.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
Описано влияние изменения количества SiO2 и Si в реакционной шихте на образование сиалона и примесных фаз в конечном продукте, полученного по азидной технологии СВС. Установлено, что с увеличением содержания диоксида кремния в системе «SiO2+NaN3+Na3AlF6+Si» в составе синтезированного продукта был получен сиалон SiAhOi2N2 и две примесные фазы Si3N4, NaAlF6.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, сиалон, керамика, диоксид кремния.
Нитрид кремния входит в состав многих современных керамических материалов и обладает впечатляющим набором физических, химических и термических свойств. Его физические и механические свойства включают высокую прочность, хорошую вязкость разрушения, высокую твердость, отличную износостойкость и низкую плотность. Однако керамика Si3N4 подвержена окислению при высоких температурах и в присутствии кислорода, что в значительной степени ограничивает их долгосрочное использование и влияет на их собственные характеристики [1]. Также керамика из нитрида кремния имеет недостаток в теплоизоляционных свойствах, что ограничивает ее широкое применение [2].
Из многокомпонентных смесей и керамических сплавов, входящих в состав семейства керамики из нитрида кремния, известен такой класс соединений как оксинитриды кремния-алюминия (Si-Al-O-N или сиалоны). Данный материал представляет собой включение алюминия и кислорода в структуру Si3N4, заменяя кремний и азот соответственно, с образованием твердых растворов [3]. Керамика на основе сиалона обладает свойствами, аналогичными керамике из Si3N4, включая высокую твердость, прочность, значительную износостойкость, стойкость к тепловому удару, Кроме того, сиалоновая керамика обладает более низкой теплопроводностью и более высокой стойкостью к окислению из-за введения атомов Al и O, которые являются потенциальным материалом для обтекателей, высокотемпературных фильтров и носителя катализатора. Физико-химические характеристики сиалоновой керамики делают ее востребованной в технологиче-
ских отраслях для производства передовой инженерной керамики, такой как защитные оболочки термопар, детали двигателей, металлорежущие инструменты, газотурбинные двигатели, экструзионные матрицы, износостойкие детали, люминесцентные составы, пористая керамика и материалы для протезов [4, 5, 6].
На данный момент получение сиалоновой керамики возможно следующими методами: реакционное спекание, искровое плазменное спекание, золь-гель технология, карботермическое восстановление [7, 8]. Данные технологии характеризуются высоким энергопотреблением, сложным оборудование и не всегда обеспечивают наноразмерность сиалоновой композиции. Вышеперечисленные недостатки могут быть устранены с использованием процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). СВС является эффективным и экономичным методом, который использует тепло экзотермических реакций, мгновенно генерирующих высокую температуру для достижения процесса спекания керамики. В сочетании с простым оборудованием, использованием недорогих исходных реагентов и экологичностью, данный метод обладает большими преимуществами по сравнению с традиционными технологиями [7].
Ранее в работе [9] было исследовано получение сиалона из системы «оксид кремния-азид натрия-галогениды» по азидной технологии СВС (СВС-Аз) с использованием в качестве кремнийсодержащего компонента речного песка. Применение речного песка в роли диоксида кремния позволило синтезировать сиалон, однако помимо фазы сиалона целевой продукт содержал в себе фазы других соединений: Si3N4, AlN, NaF, Na3AlF6 и Si, а фаза сиалона присутствовала в небольшом количестве.
Поэтому была выбрана оптимальная система для дальнейшего изучения синтеза сиалона методом СВС-Аз, в результате синтеза которой был получен конечный продукт с наилучшими характеристиками:
2SiO2+9NaN3+3Na3AlF6+Si = Si3Al3O3N5+18NaF+11N2+0,5O2. (1)
Кроме этого, были проведены исследования при варьировании содержание речного песка и/или чистого кремния в выбранной системе (1):
Система №1. уменьшение компонента SiO2 и увеличение компонента Si: SiO2+9NaN3+3Na3AlF6+2Si+0,5O2 = Si3AbO3N + 18NaF + 11N2, (2) Система №2. увеличение компонента SiO2 и Si - const:
5SiO2+18NaN3+6Na3AlF6+Si = 2Si3AbO3N + 36NaF + 22N2 + 2O2, (3) Система №3. SiO2 - const и увеличение компонента Si: 2SiO2+18NaN3+6Na3AlF6+4Si+O2 = 3Si3AbO3N + 54NaF + 33N2. (4) Термодинамический расчет производился с помощью программы «ТИегто» и его результаты представлены в таблице 1. Из таблицы видно, что все системы, кроме «5SiO2+18NaN3+6Na3AlF6+Si», которая имеет комнатную адиабатическую температуру реагирования, способны к самостоятельную горению. Отрицательные значения энтальпии означают, что реакция взаимодействия компонентов систем экзотермическая, а значит будет сопровождаться выделением тепла.
Таблица 1 - Результаты термодинамических расчетов равновесных _концентраций продуктов синтеза в различных системах_
Система Адиабатическая температура реакции, К Теоретический состав продуктов синтеза, моль Тепловой баланс системы (энтальпия), кДж
1 1268,65 ШаБ, 813^, ЛШ, N2, О2 -10680,69
2 298,27 ШаБ, 813К4, ЛШ, N2, О2 -21754,32
3 896,94 КБ, 813Ш4, ЛШ, N2, О2 -21361,77
Эксперимент проводился в лабораторном реакторе СВС-Аз с исходными условиями синтеза: плотность реакционной шихты - относительная (5 = 0,34), диаметр экспериментального образца - 3 см, давление газообразного азота в реакторе - 4 МПа.
Рисунок 1 - Дифрактограмма целевого продукта горения системы №1 «8Ю2+9КаКз+3КазЛШб+281+0,502»
Подготовка реакционной шихты проводилась следующим образом. Сперва исходные порошки взвешиваются на электронных весах и перемешиваются с помощью керамического пестика в фарфоровой ступке. Далее перемешанную шихту пересыпаются в кальковый стакан и помещают на предметную полочку лабораторного реактора СВС-Аз. Инициирование химической реакции происходит благодаря вольфрамовой спирали, которая погружается на небольшую глубину в реакционную шихту. Реактор вакуумируется, промывается рабочем газом, снова вакуумируется и заполняется азотом до необходимого рабочего давления. Остывание продукта синтеза происходит в реакторе без сброса давления в течение 15-20 минут. Остывший продукт измельчается и подвергается водной промывке и сушке [10].
■фЛ'азАШб * ЯйАЙОиГЙ
30.0 31.О ЗВ.О 42.0
46.0 50.0
5В.О 62.0
Рисунок 2 - Дифрактограмма целевого продукта горения системы №2
«58Ю2+18КаКз+6КазЛШб+81»
Рисунок 3 - Дифрактограмма целевого продукта горения системы №3 «28Ю2+18КаКз+6КазЛШб+481+02»
Рентгенофазовый анализ синтезируемых продуктов проводился с помощью дифрактометра ЛЯЬ Х'1хЛ-138. На рис. 1 представлена дифракто-грамма целевого продукта горения системы №1 «8102+9КаК3+3Ка3ЛШ6+281+0,502». Синтезированный продукт состоит из целевой фазы сиалона состава 813Л16012К2 и примесных фаз 813К4, Ка3ЛШ6, АШ и 81.
Дифрактограмма целевого продукта горения системы №2 «58102+18КаК3+6Ка3ЛШ6+81» представлена на рис. 2. Синтезированный продукт состоит из целевой фазы сиалона состава 813Л16012К2 и примесных фаз Ка3Л1Б6 и 813К4.
На рис. 3 представлена дифрактограмма целевого продукта горения системы №3 «28102+18КаК3+6Ка3ЛШ6+481+02». Синтезированный продукт состоит из Ка3ЛШ6, КБ и 81. Фаза сиалона в продукте не была обнаружена.
Таким образом, на основе полученных экспериментальных результатов можно сделать вывод, что с увеличением содержания 8102 в реакционной шихте конечный продукт содержит фазу сиалона и наименьшее содержание примесных фаз (Ка3ЛШ6 и 813К4). Увеличение количества чистого кремния приводит к отсутствию целевой фазы сиалона в конечном продук-
те. Уменьшение компонента SiO2 и увеличение компонента Si в реакционной шихте позволяет получить фазу сиалона в синтезированном продукте, но также в нем присутствует большое количество примесных фаз (Si3N4, Na3AlF6, AlN, Si).
Список литературы
1. L.J. Letwaba, I. Tlhabadira, I.A. Daniyan, M. Seerane, E.R. Sadiku, L. Masu. Development and microstructural analysis of beta-SiAlONs produced by spark plasma sintering // Materials Today: Proceedings, Vol. 38, 2021, P. 590594;
2. Xueqing Li, Dongxu Yao, Kaihui Zuo, Yongfeng Xia, Jinwei Yin, Hanqin Liang, Yu-Ping Zeng. The microstructure and thermal conductivity of porous в-SiAlON ceramics fabricated by pressureless sintering with Y-a-SiAlON as the sintering additive // Ceramics International, Vol. 48 (5), 2022, P. 6177-6184;
3. O'Leary, Bryan G. Carbothermal Reduction and Nitridation of Geopolymer-Carbon Composites: A Study of Reaction Mechanisms. (2012);
4. Smirnov K.L., Nefedova E.V. and Grigoryev E.G. SIALON-BASED CERAMIC COMPOSITES OBTAINED BY ADVANCED TECHNIQUES // VII Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва. 7-10 ноября 2017 г./ Сборник материалов. -М: ИМЕТ РАН, 2017, 951 с;
5. Mohammad Sadegh Abdi Maghsoudlou, Touradj Ebadzadeh, Alireza Aghaei. Carbothermal synthesis, characterization, and mechanical properties of spark plasma sintered в-SiAlON (z = 2) powder prepared from mechanochemically activated precursors // Ceramics International, Vol. 48(23),2022, P. 34243-34250;
6. Ye Zhang, Dongxu Yao, Kaihui Zuo, Yongfeng Xia, Jinwei Yin, Hanqin Liang, Yu-Ping Zeng. The synthesis of single-phase в-Sialon porous ceramics using self-propagating high-temperature processing // Ceramics International, Vol. 48 (3), 2022, P. 4371-4375;
7. Валяева М.Е., Кондратьева Л.А. ОБЗОР МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ СИАЛОНА // Современные материалы, техника и технологии. 2021. №4 (37);
8. Валяева М.Е., Кондратьева Л.А. СВС КАК МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ СИАЛОНА // Современные материалы, техника и технологии. 2022. №6 (45);
9. Валяева М.Е., Кондратьева Л.А. Получение сиалона в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из кремнийсодер-жащего сырья с использованием азида натрия и галогенидов алюминия // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2023. №. 2. С. 3-7;
10. Кондратьева Л.А. Схема азидной технологии саморапространяюще-гося высокотемпературного синтеза порошков нитридов. Журнал технических исследований. 2020. Т. 6. №1. С. 3-9.
Valyaeva Maria Evgenyevna,
post-graduate student
(e-mail: valiaeva.maria@yandex.ru)
Samara state technical university, Samara, Russia
Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,
doctor of technical science, professor
(e-mail: schiglou@yandex.ru)
Samara state technical university, Samara, Russia
STUDYING THE INFLUENCE OF CHANGES IN THE INITIAL
COMPOSITION OF THE AMOUNT OF SILICON-CONTAINING
COMPONENTS OF THE REACTION MIXTURE ON THE YIELD OF
SIALON, PRODUCED BY SHS AZIDE TECHNOLOGY
Abstract.
The effect of changing the amount ofSiO2 and Si in the reaction mixture on the formation of sialon and impurity phases in the final product obtained using the SHS azide technology is described. It was established that with an increase in the silicon dioxide content in the «SiO2+NaN3+Na3AlF6+Si» system, sialon Si3Al6O12N2 and two impurity phases Si3N4, NaAlF6 were obtained in the composition of the synthesized product. Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, sialon, ceramics, silica.
