CC BY
16
ОПТИМАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ СИНТЕЗА НИТРИДНОЙ КОМПОЗИЦИИ AlN-BN ИЗ СИСТЕМ «ЭЛЕМЕНТ-АЗИД НАТРИЯ-
ГАЛОИДНАЯ СОЛЬ» Кондратьева Людмила Александровна, к.т.н., доцент
(e-mail: schiglou@yandex.ru) Керсон Ирина Александровна, аспирант, ассистент Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
(e-mail: rafkalimullin@yandex.ru)
Представлены результаты рентгенофазового анализа и исследования морфологии конечного продукта, синтезированного по азидной технологии СВС из систем «элемент-азид натрия-галогенид элемента». Установлены оптимальные системы для синтеза наилучшей по составу нитрид-ной композиции AlN-BN.
Ключевые слова: СВС, композиция, нитрид алюминия, нитрид бора, га-логенид, азид натрия, порошок.
С целью решения задач синтеза порошковых материалов на основе нитридов, отвечающих современным требованиям и критериям, представляет интерес использовать новый прогрессивный высокопроизводительный способ - самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), разработанный в Институте структурной макрокинетики АН СССР А.Г. Мержановым и сотрудниками. Обладая такими важными преимуществами перед известными технологиями (печной, плазмохимический синтез и др.) как высокая производительность, низкая энергоемкость процесса, СВС, тем не менее, не позволяет получать высокодисперсные порошки без размола после синтеза, избежать сложных процессов химического обогащения целевых продуктов. Для получения порошков тугоплавких соед-нений в СамГТУ получила развитие одна из разновидностей самораспро-страняющегоя высокотемпературного синтеза - СВС с применением неорганических азидов в качестве азотирующих реагентов (СВС-Аз) [1].
В работе были проведены исследования по синтезу в режиме СВС-Аз нитридной композиции AlN-BN. Были исследованы характеристики конечного продукта, синтезированного из систем ««хА1-Ыа^-уКВЕ4», «хА1-Na^^N^F^, «хАШа^-уШВЕ4», «хВ-Ш^-уАШ3» и «xB-NaN3-у№3АШ6» при разном соотношении компонентов х и у в системах.
Рентгенофазовый анализ (РФА) конечного продукта проводили на ди-фрактометре АКЬ Х'1хА-138. Рентгеннограммы конечного продукта с минимальным содержанием побочного продукта и оптимальным содержанием нитридов АШ и BN, представлены в таблице 1. На рисунке 1 представлены рентгенограммы конечных промытых продуктов синтеза оптимальных систем для синтеза композиции АШ-BN.
Таблица 1 - Экспериментальные результаты синтеза систем и фазовый
состав конечных продуктов
Исходный состав Т,0 С и, см/с РФА
Система №1 «хА1-Ш^-уКБР4»
х = 1 моль, у = 1 моль 1650 1,00 АШ = 14 %, ВК = 10 %, ^аАШб = 76 %
А1 - 3КК3 - КВБ4
х = 3 моль, у = 1 моль 800 1,00 АШ =57 %, ВК = 5 %, ^аАШб = 38 %
3А1 - 3КК3 - КВБ4
х = 1 моль, у = 3 моль 1400 0,50 АШ =14 %, ВК = 9 %, К2КаА1Бб = 77 %
А1 - 9КаК3 - 3КВБ4
Система №2 «хА1-Ш№$^Ида4»
х = 1 моль, у = 1 моль 1200 0,50 АШ = 71 %, ВК = 16 %, Ка3А1Бб = 13 %
А1 - 4КаК3 - КН4ВР4
х = 3 моль, у = 1 моль 750 0,30 АШ =85 %, ВК = 6 %, Ка3А1Бб = 9 %
3А1 - 4КК3 - КН4ВБ4
х = 1 моль, у = 3 моль 800 0,50 АШ =82 %, ВК = 6 %, Ка3АШ6 = 12 %
А1 - 12КК3 - 3КН4ВБ4
Система №3 «хА1-Ш^-уШБР4»
х = 1 моль, у = 1 моль 1500 0,50 АШ = 27 %, ВК = 18 %, Ка3А1Б6 = 55 %
А1 - 3Ка№$ - КаВБ4
х = 3 моль, у = 1 моль 2000 1,00 АШ =63 %, ВК = 9 %, Ка3А1Б6 = 28 %
3А1 - 3КК3 - КаВБ4
х = 1 моль, у = 3 моль 1200 0,20 АШ =18 %, ВК = 25 %, Ка3А1Б6 = 57 %
А1 - 9Ка№$ -3КаВБ4
Система №4 «хB-NaNз-уA1Fз»
х = 1 моль, у = 1 моль 1850 0,30 АШ = 34 %, ВК = 21 %, Ка3А1Б6 = 45 %
В - 3КК3 - АШ3
х = 3 моль, у = 1 моль 2200 1,00 АШ =37 %, ВК = 25 %, Ка3А1Б6 = 38 %
3В - 3КаК3 - АШ3
х = 1 моль, у = 3 моль 1400 1,00 АШ =56 %, ВК = 8 %, Ка3А1Б6 = 36 %
В - 9КК3 - 3АШ3
Система №5 «xB-NaN3-уNa3A1F6»
х = 1 моль, у = 1 моль 1000 1,00 АШ = 29 %, ВК = 20 %, Ка3А1Б6 = 51 %
В - 3КаК - Ка3А1Бб
х = 3 моль, у = 1 моль 900 1,00 АШ =47 %, ВК = 25 %, Ка3А1Б6 = 28 %
3В - 3КаК - ^АШб
х = 1 моль, у = 3 моль 750 0,20 АШ =32 %, ВК = 26 %, Ка3А1Б6 = 42 %
В - 9КаК - 3Ка3А1Бб
Как видно из РФА системы №1, что с увеличением А1 в исходной шихте «А1+КаК3+КВЕ4» снижается количество промежуточного побочного продукта К2КаАШ6 (до 38 %), но повышается количество АШ (до 57 %). Температуры горения (700-1300 °С) не достаточны для образования ВК, одна-
ко за счет разложения КВБ4 образуется атомарный бор, который реагирует с активным азотом до образования ВК (5-10 %). А увеличение КВБ4 в исходной шихте «А1+КаК3+КВЕ4» не влияет на соотношение фаз в конечном продукте. Температуры горения (1650-1400 °С) достаточны для образования АШ и ВК, но из-за больших скоростей горения и неполноты прохождения реакции в конечном продукте присутствует побочный промежуточный продукт - К2КаАШ6 (до 77 %).
30.0 34. а 38.0 и.О 46.0 50.0 54. а 58.0 62.0 в«. О ТО. О 74 . о те.о
а)
V
О - ЫазАШб А - АШ
□ -В0>Г
чЛ<—'
б)
Рисунок 1. Рентгенограммы конечных промытых продуктов синтеза оптимальной системы №2 «3А1-4КаК3-ЫИ4ВЕ4» (а) и №5 «3В-3КаК3-Ка3АШ6» (б) для получения композиции АШ-ВК
Из РФА системы №2 видно, что увеличение А1 в исходной шихте «А1+КаК3+КН4ВЕ4» приводит к увеличению в конечном продукте АШ (до 85 %) и уменьшению количества ВК (до 6%) и побочного продукта Ка3АШ6 (до 9 %). Температура горения (1200 °С) достаточна для образования АШ, но из-за больших скоростей горения и неполноты прохождения реакции в конечном продукте присутствует побочный промежуточный продукт - Ка3АШ6. Небольшое количество ВК (6-16 %) в конечном продукте можно объяснить тем, что температуры горения (600-1200 °С) не достаточны для образования нитрида бора. Увеличение КН4ВБ4 в исходной шихте «А1+КаК3+КН4ВБ4» приводит к снижению ВК (до 6 %) и увеличению АШ (до 82 %). Это связано с понижением температуры синтеза с 1200 до 700 °С. Количество побочного продукта Ка3АШ6 (12-13 %) в конечном продукте с изменением соотношения компонентов в шихте практически не
изменяется. Из РФА системы №3 видно, что увеличение А1 в исходной шихте «А1+КаК3+КаВБ4» приводит к снижению побочного промежуточного продукта Ка3АШ6 (до 28 %), а так же к снижению ВК (до 9 %) и повышению АШ (до 63 %). Температуры горения (1500-2200 °С) достаточны для образования АШ и ВК, однако количество нитрида бора в конечном продукте снижается (с 18 % до 9 %). Это связано с тем, что с увеличением количества алюминия в исходной смеси, снижается количество КаВБ4, а так же в процессе горения при высоких темературах атомарный бор вместе с газообразмыми продуктами реакции выносится из образца, оседая на стенках реактора. Увеличение КаВБ4 в исходной шихте «А1+КаК3+КаВБ4» практически не влияет на количество побочного продукта в конечном продукте, но приводит к снижению АШ (до 18 %) и повышению ВК (до 25 %). Температуры горения (1100-1500 °С) не достаточны для образования ВК, однако за счет разложения КаВБ4 образуется активный атомарный бор, который реагирует с активным азотом до образования ВК (18-15 %). Из РФА системы №4 видно, что увеличение В в исходной шихте «В+КаК3+АШ3» приводит к снижению побочного промежуточного продукта Ка3АШ6 (до 38 %) и постепенному повышению АШ (37 %) и ВК (25 %). Температуры горения (1850-2300 °С) достаточны для образования АШ и ВК, но из-за больших скоростей горения (1,0 см/с) и неполноты прохождения реакции в конечном продукте присутствует побочный промежуточный продукт -Ка3АШ6. С увеличением АШ3 в исходной шихте «В+КаК3+АШ3» уменьшается количество побочного продукта Ка3АШ6 (до 36 %) и увеличивается количество нитрида АШ (до 56 %). Температуры горения (1600-1850 °С) достаточны для образования нитрида бора, однако с понижением температуры горения (с 1800 до 1400 °С) количество ВК в конечном продукте снижается с 25 до 8 %.
Из РФА системы №5 видно, что увеличение количества В в исходной шихте «В+КаК3+Ка3АШ6» приводит к снижению побочного промежуточного продукта Ка3АШ6 (до 28 %) и повышению количества АШ (до 47 %) и ВК (до 25 %), а увеличение Ка3АШ6 в исходной шихте «В+КаК3+Ка3АШ6» приводит к небольшому снижению побочного промежуточного продукта Ка3АШ6 (до 42 %) и повышению количества АШ (до 32 %) и ВК (до 26%). Так как температуры синтеза (700-1000 °С) не достаточны для образования АШ и ВК, то количество ниридов АШ (29-47 %) и ВК (20-26 %) в синтезируемом продукте не велико.
Морфология конечного продукта исследовалась на растровом электронном микроскопе 1БМ-6390А (рисунок 2). На рисунке 2а видно, что форма частиц конечного продукта, синтезированного в системе «3А1-3КаК3-КН4ВБ4» имеет равноосную, пластинчатую форму. Средний размер полученного ультра- и тонкодисперсного (субмикрокристаллического) поро-шока составляет 70-100 нм. На рисунке 2б видно, что форма частиц конечного продукта, синтезированного в системе «3В-3КаК3-Ка3АШ6» имеет
пластинчатую и равноосную форму. Средний размер тонкодисперсного (субмикрокристаллического) порошока составляет 80-100 нм.
W.43 пгп
_40.70 п
56.00 пгЯВ
m ж
30kV Х25,000 1pm
Б2.4Б пгп
30kV Х20,000 1pm
а) б)
Рисунок 2. Морфология конечного продукта оптимальной системы №2 «3А1-4КаЫ3-МН4ВЕ4» (а) и №5 «3В-3КаЫ3-КазАШ6» (б) для получения
композиции АШ-ВК
Таким образом, в ходе исследований были установлены оптимальные системы для синтеза нитридной композиции АШ-ВК - система №2 «3А1-4КаК3-КН4ВБ4» и система №5 «3В-3КаК3-Ка3АШ6».
Список использованных источников
1. Макаренко А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез ультрадисперсного порошка нитрида бора с применением неорганических азидов и галоидных солей: Дисс.. .канд.техн.наук.- Куйбышев, 1990.- 198 с.
Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,
candidate of technical science, associate Professor (e-mail: schiglou@yandex.ru) Samara state technical University, Samara, Russia
Kerson Irina Aleksandrovna, postgraduate student, assistant Samara state technical University, Samara, Russia (e-mail: rafkalimullin@yandex.ru) AN OPTIMAL SYSTEM FOR THE SYNTHESIS OF THE NITRIDE COMPOSITION IS AlN-BN
OF SYSTEMS «ELEMENT-SODIUM AZIDE-HALIDE SALT» Abstract. Presents the results of x-ray diffraction and studies of the morphology of the final product, synthesized according to asidney technology SHS systems "element-sodium azide-halide of the element. The optimal system for synthesizing the best composition of the nitride composition is AlN-BN.
Keywords: SHS, composition, aluminum nitride, boron nitride, halide, sodium azide, powder.
