CC BY
15
УДК 666.775-798.2
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ ОСАДОЧНОЙ ГОРНОЙ ПОРОДЫ ПОРОШКА НИТРИДА КРЕМНИЯ
Кондратьева Людмила Александровна, д.т.н, профессор (e-mail: schiglou@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе рассмотрен химический элементный состав разных видов песка. Дано предположение о возможности синтеза порошка нитрида кремния из песка по технологии СВС-Аз.
Ключевые слова: песок, диоксид кремния, элементный анализ, химический состав, морфология, размер частиц, нитрид кремния.
Природный песок для большинства является чем-то естественным, и не привлекающим внимание. Это мелкие частицы, возникшие в процессе разрушений и преобразований земной поверхности на протяжении миллионов лет. Основной элемент вещества - молекулы диоксида кремния SiO2 (кремнезем). Железо, сера, кальций, золото, магний также входят в состав, но в минимальных количествах. А также примеси песка могут состоять из гипса, глины, ила, перегноя, частиц пыли, слюды, продуктов разложения растений и остатков животного происхождения.
Основные сферы использования песка - строительство и промышленность, для которых песок идеален, если состоит преимущественно из кварца. Но, чистый состав в естественной среде встречается редко.
Обобщающая характеристика песка заключается в том, что 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 (кварца, кальцита, слюды, полевого шпата и др.) (рисунок 1), от 0,1 мм до 5 мм в диаметре (таблица 1), без цементирующего вещества и потому не связанных меж собой и обладающих минимальными силами внутреннего сцепления.
Внешний вид и химический состав песка крайне разнообразен и зависит от:
- характера процессов, формирующих песок из горных пород (преобладание химического или механического выветривания);
- факторов и условий транспортировки;
- среды, в которой происходило отложение толщи;
- от географической среды и факторов вторичного переотложения толщи и ее преобразования и стадии развития этого переотложения.
Самый распространенный на земле - желтый песок.
По минералогическому составу пески разделяются на:
- кварцевые;
- известняковые;
- полевошпатовые
- доломитовые.
Пески отличаются друг от друга по структуре и форме:
- зерна морского и речного песка - округлой формы с гладкой поверхностью;
- зерна горного песка - имеют угловатую форму и шероховатую поверхность;
- зерна овражного песка - имеют угловатую форму, но несколько сглаженную поверхность.
а) б)
Рисунок 1 - Частицы песка под микроскопом
Таблица 1 - Модуль крупности песка
Группа песка Модуль крупности (МК)
Очень крупный свыше 3,5
Повышенной крупности от 3,0 до 3,5
Крупный от 2,5 до 3,0
Средней крупности от 2,0 до 2,5
Мелкий от 1,5 до 2,0
Очень мелкий от 1,0 до 1,5
Тонкий от 0,7 до 1,0
Очень тонкий менее 0,7
Чаще всего пески состоят из зерен кварца и называются мономинеральными. Если присутствуют другие компоненты, то они являются полиминеральными.
Мономинеральные пески состоят на 90 % и больше только из одного минерала: кварца, роговой обманки, слюды или полевого шпата. Оставшиеся 10 % - это Ре203, А1203, глинистая составляющая, а так же могут присутствовать в составе Ы20, К20, Ка20, СаО, М^О, ТЮ2. Самым «чистым» от примесей является речной песок, поскольку он проходит тщатель-
ную фильтрацию в естественной среде, в процессе которой примесные частицы вымываются водой.
Полиминеральные пески состоят в основном из двух минералов из перечня мономинеральных песков. Например: полевошпатово-кварцевый песок состоит из полевого шпата более 50 %, а остальное - кварц.
Приблизительно определить состав каждого вида (образца) песка можно самостоятельно. Для этого в стеклянный стакан нужно насыпать немного песка, налить чистой воды и взболтать. Через сутки проверить - если раствор стал мутным, значит, в исследуемом песке много примесей.
При исследовании 6-ти образцов песка все они были подвергнуты микроскопическому и энергодисперсионному элементному анализу на растровом электронном микроскопе 1БМ-6390Л. Подготовка образцов для исследования методами растровой электронной микроскопии заключалась в закреплении их на столике с помощью электропроводного двустороннего токопроводящего углеродного скотча, который содержит органический полимер, в котором углерод составляет 70 % и кислород 30 % (содержание водорода не определяется).
После исследования образцов, получились результаты (таблица 2) в которых из-за использования электропроводной двусторонней липкой ленты в качестве закрепляющего слоя результаты показали завышенное содержание углерода и кислорода. Что в свою очередь приводит к погрешности определении содержания остальных компонентов в исследуемом образце.
Однако, даже с погрешностями в измерении элементного состава образцов, можно с уверенностью говорить, что все образцы песка состоят из соединений таких химических элементов как Л1, Бе, М§, Са, Ка, К, О и С. Наибольшее количество оксида кремния содержится в образцах №5 и №4.
Образцы №4 и №5 по своему химическому составу можно отнести к мономинеральным пескам, а образцы №1, №2, №3 и №6 - к полиминеральным пескам (таблица 3).
Морфология частиц разных образцов песка представлена на рисунке 2, а характеристика разных видов песка дана в таблице 4.
Так как песок в основном состоит из оксида кремния, его можно использовать в качестве исходного вещества для получения кремнийсодержащих порошковых продуктов (например, нитрида кремния) по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз) [1-3].
Рисунок 2 - Морфология частиц разных образцов песка: а) образец №1; б) образец №2; в) образец №3; г) образец №4;д) образец №5; е) образец №6
Таблица 3 - Группы песка и к каким группам относятся образцы песка
Группа Образцы
№1 №2 №3 №4 №5 №6
Мономинеральные пески + +
Полиминеральные пески + + + +
Таблица 2 - ^ Химический элементный состав разных видов (образцов) песка
Состав песка, % Образцы
№1 №2 №3 №4 №5 №6
С 19,20 7,82 2,62 6,40 4,19 2,13
О 49,06 40,63 34,28 42,02 37,47 38,72
Ш 0,75 0,09 0,50 0,18 0,07 0,17
Mg 1,06 4,01 3,57 0,74 1,02 3,35
А1 3,01 7,20 9,46 5,04 7,09 10,22
11,95 26,00 28,88 39,68 43,95 31,01
К 0,44 0,27 2,39 0,80 1,15 2,36
Са 0,63 4,12 3,65 0,87 1,59 3,12
Бе 1,00 9,86 14,66 4,28 3,46 8,92
Таблица 4 - Характеристика разных видов песка
Образец Морфология частиц Средний размер частиц
№1 Продолговатая форма с гладкими закругленными и острыми отколотыми гранями отдельные частицы (в диаметре): 150-250 мкм
№2 Продолговатая и округлая форма с гладкими закругленными и острыми отколотыми гранями отдельные частицы: 300-400 мкм
№3 Округлая форма с гладкими закругленными гранями агломерат: от 300 мкм выше; отдельные частицы: 20-30 мкм
№4 Продолговатая и округлая форма с гладкими закругленными гранями отдельные частицы: 200-300 мкм
№5 Продолговатая и округлая форма с гладкими закругленными и острыми отколотыми гранями отдельные частицы (в диаметре): 200-300 мкм
№6 Округлая форма с гладкими закругленными гранями агломерат: от 200 мкм и выше; отдельные частицы: 20-30 мкм
Наилучшим исходным компонентов в реакционной СВС-шихте для получения нитрида кремния будет являться образец песка №5. Так как он по
сравнению с другими образцами содержит в своем составе наибольшее количество кремния и кислорода, что говорит о том, что песок состоит примерно на 90 % из кремнезема.
Стехиометрические уравнения реакций для получения нитрида кремния из песка в режиме горения по азидной технологии СВС будут иметь вид: 3SiO2 + 18NaN3 = SisN + 6Na2O + 25N2T; 2SiO2 + 8NaNs + Si = SisN + 4Na2O + 1ON2T; 2SiO2 + 4NaNs + Na2SiF6 = SisN + 6NaF + 4N2| + 2O2T; 2SiO2 + 6NaNs + (NH4)2SiF6 = Si3N + 6NaF + 8N2| + 2O2T + 4H2|. Таким образом, песок может оказаться простым и недорогим кремний-содержащим элементом, из которого можно будет получить Si3N4. Список литературы
1. Амосов, А.П. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов: Монография / А.П. Амосов, Г.В. Бичу-ров.- М.:Машиностроение-1, 2007. 526 с.
2. Бичуров, Г.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридных композиций: Монография / Г.В. Бичуров, Л.А. Шиганова, Ю.В. Титова.- М.: Машиностроение, 2012. 519 с.
3. Амосов, А.П. Технология СВС-Аз: Справочник «Научно-технические разработки в области СВС» / А.П. Амосов, Г.В. Бичуров, А.Г. Макаренко, Ю.М. Марков.- Черноголовка: ИСМАН, 1999.- С. 140-142.
Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,
doctor of technical sciences, Professor
(e-mail: schiglou@yandex.ru)
Samara state technical University, Samara, Russia
EXPLORING THE POSSIBILITY OF OBTAINING OF THE SEDIMENTARY ROCKS OF THE SILICON NITRIDE POWDER
Abstract. The paper considers the chemical elemental composition of different types of sand. The possibility of synthesis of silicon nitride powder from sand by SHS-AZ technology is suggested.
Keywords: sand, silica, elemental analysis, chemical composition, morphology, particle size, silicon nitride.
