CC BY
14
О ХИМИЧЕСКОЙ СТАДИЙНОСТИ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИИ
КОМПОЗИЦИЙ SiaN^N В РЕЖИМЕ АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
СВС
Кондратьева Людмила Александровна, к.т.н., доцент (e-mail: schiglou@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, Россия
В работе рассмотрена химическая стадийность и структурообразова-ние композиции Si3N4-BN в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с использованием азида натрия и KBF4. Установлено, что для получения Si3N4-BN из исходных компонентов в процессе горения должны пройти не только реакции азотирования элементного кремния и атомарного бора, но и реакции разложения, диссоциации, металлотермии и т.п. Так же установлено, что продукт, синтезированный из системы «9Si+KBF4+3NaN3» представлял собой чистую, без побочных примесей, смесь субмикрокристаллических волокон a-Si3N4, fi-Si3N4 и равноосных частиц BN.
Ключевые слова: химическая стадийность, структурообразование, композиции, нитриды, кремний, бор, азид натрия, галогенид.
Первоначально для изучения механизма и химической стадийности образования нитридной композиции Si3N4-8N были выбраны из всех исследуемых систем наилучшие по выходным данным (по фазовому и количественному составу) конечные продукты. Наилучшими, из исследуемых систем, оказались конечные продукты, синтезированные из системы «9Si+KBF4+3NaN3» в режиме СВС-Аз (таблица 1) [1].
Si ^ S13N4
KB 1ч
NaF кр+ В
•+ J+Ш
№
J
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Рисунок 1 - Модель химической стадийности получения нитридной композиции Si3N4-ВN из системы «9Si+KBF4+3NaN3»
Для определения химической стадийности образования 81зК4-ВК в системе «981+КВЕ4+3КаКз» в процессе горения была произведена закалка в интервале температур 500-600 °С и 900-1000 °С. После закалки был сделан рентгенофазовый анализ, который показал, что в результате резкой остановки фронта горения продукты синтеза состоят из смеси различных фаз: В, 81, ВШ, а-813^, Р^^, ШаБ, КБ.
Таблица 1 - Экспериментальные результаты синтеза композиции Б13К4-ВК
Система Температура горения, С Скорость горения, см/с Фазовый и количественный состав, % Форма частиц Размер частиц, нм
981+КВБ4+3КаШ 1200 0,70 а-813Ш - 20, Р-813Ж - 76, ВШ - 4 волокнистая, равноосная 300-400, 250-300
381+3№ВТ4+ +9ШаШ 1000 0,60 а-813Ш = 16, Р-813Ж = 75, ВШ = 4, 81 = 5 сферическая, равноосная 150-200
381+КЫ4ВБ4+ +4ШаШ 1200 1,00 а-813Ш = 35, Р-813Ш4 = 48, ВШ = 4, 81 = 13 волокнистая, равноосная 150-250; 100-200
В+9Ш281Т6+ +36№Ю 1200 1,00 ВШ = 11, 81 = 89 равноосная 100-150
В+9(КИ4)281Б6+ +54ШаШ 1100 0,80 ВШ = 20, а-813Ш = 20, Р-813Ш4 = 20, 81 = 40 равноосная 90-120
На основании полученных экспериментальных результатов и результатов по анализу химической стадийности в процессах СВС-Аз [2] была построена химическая стадийность образования нитридной композиции 81^^ в системе «981+КВБ4+3КаК3»:
1) Разложение азида натрия КаШ3 при температуре 275 °С:
2КаШ3 ^ 2Ша + 3^. (1)
2) Разложение КВБ4 при температуре ~ 900 °С и взаимодействие с натрием (реакция металлотермии):
КВБ4 + 3Ша ^ 3КаБ + КБ + В. (2)
3) Реакции кремния и бора с азотом при температуре ~ 1200 °С:
3Б1 + 2^ ^ 8^4, (3)
В + 0,5^ ^ ВШ. (4)
Суммарная реакция получения композиции Si3N4-BN имеет вид:
9Si + KBF4 + 3NaN3 + 2N2t = 3Si3N4-BN + 3NaF + KF. (5)
Модель химической стадийности получения нитридной композиции Si3N4-BN из системы «9Si+KBF4+3NaN3» представлена на рисунке 1.
На рисунке 2 представлена схема изменения морфологии исходных частиц системы «9Si+KBF4+3NaN3» в частицы конечного продукта - композиции Si3N4-BN.
Состав исходной шихты
Синтезированный продукт
a-Si3N4; ß-Si3^; BN
Рисунок 2 - Схема изменения морфологии исходных частиц системы «9Si+KBF4+3NaN3» при получении нитридной композиции Si3N4-BN
Из рисунка 2 видно, что исходный продукт, состоящий из KBF4, Si и NaN3, представлял собой смесь крупных агломератных частиц KBF4 и NaN3 осколочной формы, и микронных частиц Si равноосной формы. После сгорания в волне СВС исходной шихты «9Si+KBF4+3NaN3» конечный
продукт представлял собой чистую, без побочных примесей, смесь нитридов: (20 %), (76 %), BN (4 %), которую можно квалифицировать как микронный композитный порошок состоящий из субмикрокристаллических волокон с поперечным размером 400500 нм и волокон а^^^ с поперечным размером 200-300 нм, а также субмикрокристаллических равноосных частиц ВN с размером 250-300 нм [2, 3, 4].
На рисунке 3 представлена схема структурообразования нитридной композиции Si3N4-ВN при горении системы «9Si+KBF4+3NaN3».
NaNj
kbf4
1. Смесь исходных компонентов: Si, KBF4, NaN3
o-Si3N4
kbf4
p-Si3N4
2. СВ-синтез в системе «9Si+KBF4+3NaN3»
a-Si3N4
P-Si3N4
3. Конечные продукты
синтеза: a-Si3N4, P-Si3N4 и BN
Рисунок 3 - Схема структурообразования нитридной композиции Si3N4-BN при горении системы «9Si+KBF4+3NaN3»
Таким образом, в работе была построена модель химической стадийности получения нитридной композиции Si3N4-BN без побочных продуктов из системы «9Si+KBF4+3NaN3» в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с применением азида натрия. Исследовано структурообразование и представлена схема изменения морфологии частиц исходных компонентов шихты при синтезе нитридной композиции Si3N4-BN. Установлено, что конечный продукт представлял собой наност-руктурный композитный порошок, состоящий из субмикрокристаллических равноосных, сферических, пластинчатых и волокнистых частиц среднего размера 200-300 нм с отдельными микрочастицами - 400-500 нм.
Список литературы
1. Amosov A.P., Bichurov G.V., Kondrat'eva L.A. and Kerson I.A. Nitride Nanopowders byAzide SHS Technology / International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis».- Vol. 26.- № 1, 2017, рр. 11-21.
2. Кондратьева Л.А., Бичуров Г.В. Химическая стадийность образования нитридных композиций Si3N4-TiN, Si3N4-BN и Si3N4-AlN в режиме СВС-Аз
/ Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Технические науки.- № 3 (51), 2016.- С. 130-135.
3. Зилидинов И.Н., Шиганова Л. А. (Кондратьева Л. А.) Зависимость гранулометрического состава конечного продукта от соотношения компонентов в системах ««Si^NaNryKBF^) и «хSi-4NaN3-yNH4BF4» / Сборник научных трудов 2-ой Международной научно-технической конференции «Качество в производственных и социально-экономических системах», посвященной 50-летию Юго-Западного государственного университета (2223 апреля 2014 г.).- Т.2, Курск, 2014.- С. 156-158.
4. Емельянов Е.В., Зилидинов И.Н., Грачев А.А., Шиганова Л.А. (Кондратьева Л.А.) Исследование зависимостей гранулометрического состава конечного продукта от изменения соотношения компонентов в системах «xSi-NaN3-yKBF4», «xSi-NaN3-yNH4BF4», «xAlF3-NaN3-yNa2SiF6» и «xTi-NaN3-yNa2SiF6» / Сборник научных статей IV Международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях», посвященной 50-летию Юго-Западного государственного университета (4-5 июня 2014 г.).- Т.1, Курск, 2014.- С. 209-211.
Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,
candidate of technical science, associate Professor
(e-mail: schiglou@yandex.ru)
Samara state technical University, Samara, Russia
chemical staging and structuring compositions in the sisn^bn mode asidney technology shs
Abstract. The paper discusses chemical stages of structure formation and composition of Si3N4-BN in the mode of self-propagating high-temperature synthesis with the use of sodium azide and KBF4. It is established that to obtain the Si3N4-BN from the initial components in the combustion process must pass not only the reaction of nitriding of elemental silicon and atomic boron, but also of the decomposition reaction, dissociation, metallothermy, etc. as the product synthesized from the system «9Si+KBF4+3NaN3» were pure, without any impurities, a mixture of fibers of submicrocrystalline a-Si3N4, P-Si3N4 and BN.
Keywords: chemical stages, structure formation, composition, nitrides, silicon, boron, sodium azide, halide.
