Получение композиционного материала из карбосилицид титана и титана Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 666.762

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ИЗ КАРБОСИЛИЦИД ТИТАНА И ТИТАНА Латухин Евгений Иванович, к.т.н., доцент (e-mail:evgelat@yandex.ru) Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: amosov-ea@rambler.ru) Кузнецов Никита Валерьевич, студент (e-mail: kukuta1994@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

В данной статье раскрываются особенности получения композиционного материала на основе карбосилицид титана (MAX-фазы) и титана. Показаны условия синтеза и результаты, а также сделаны выводы.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, MAX-фаза, карбосилицид титан, композиционный материал.

Введение

В настоящее время огромное значение имеют материалы, свойства которых универсальны. Для получения материалов с улучшенными характеристиками необходимо получить композит на основе разных химических элементов, обладающих отличными друг от друга свойствами. Стоит отметить важность создания композитов, образующих наноразмерную структуру и полученных по недорогой, наиболее экологичной технологии. В качестве такой технологии в «СамГТУ» используется самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) [1].

С помощью СВС реакции синтезировалась MAX-фаза на основе карбосилицид титана (КСТ). Само это вещество уникально и представляет собой тернарное соединение Ti3SiC2, то есть состоящее из трех элементов (Ti, Si, C). Образующая от природы слоистая наноразмерная структура повышает качественные характеристики конечного продукта и, как следствие, поднимает материал на новый уровень, делая его более легким, прочным и тепло электропроводным, тем самым, определяя КСТ, в один ряд с металлами и керамикой.

Материалы и методика эксперимента

В лабораторных условиях были получены образцы в разных средах. Первый сжигался в инертном газе аргоне, другой в обычной атмосфере.

Исходными реагентами были титан марки ПТС 2 и карбосилицид титана, полученный из компонентов сажи П-701, титана ТПП 7 и кремния Кр-0. Карбосилицид титан Ti3SiC2 замешивается в пропорциях 3:1,25:2 (Ti:Si:C). При этом кремний взят с избытком 25%, так как ранее было доказано повышение содержания MAX-фазы в синтезированном продукте при добавлении Si [2].

В опытных целях порошки разных марок прессуются на специальном оборудование в специальных формах. Для этого было взято 8г КСТ, 2,8г Т1, 8г КСТ и наложено давление 10 кгс/см2 на каждый брикет. Давление отслеживалось по манометру, который предусмотрен в конструкции пресса. Полученные брикеты порошков были сложены согласно рисунку 1 и синтезированы с помощью легко-воспламеняющей смеси.

Рисунок 1 - Схема расположения брикетов КСТ и Т а - брикеты КСТ б - брикет титана

В случае с инициированием реакции в аргоне использовался реактор закрытого типа в одной из лабораторий СамГТУ. Перед погружением прессованных образцов в реактор, они были предварительно высушены в печке с выдержкой 4 часа под температурой 200°С для удаления остатков влаги. Синтез проводился под давлением аргона 5 кгс/см . Наличие воздуха в момент реакции минимальное, так как система была продута инертом. После сгорания продуктов, образцы остывали в реакторе 5-10 мин, то есть воздействие кислорода не было.

В отличие от эксперимента в аргоне, на воздухе образцы не были предварительно высушены. Синтез проводился на воздухе, а значит, в теории должно происходить образование оксидов. На практике так и получилось, после сгорания были ярко выраженные белые включения (оксида кремния) и желтые (оксида титана). Оба оксида хрупкие и имеют не металлический окрас, а их наличие обусловливает значительное влияние кислорода на ухудшение качеств композита. Стоит отметить, что появления таких нежелательных компонентов, как оксид кремния, который является одним из лучших диэлектриков, может испортить хорошую электропроводность, которая свойственна МАХ-фазе.

Результаты экспериментов

На фото ниже видно (см. рисунок 2), как внешне отличаются полученные образцы, как сильно играет роль наличие кислорода или его отсутствие, как возможно влияет сушка на конечный продукт.

а

б

Рисунок 2 - Фотографии полученных образцов а - в аргоне, б - на воздухе.

На фотографиях отчетливо видна разница продуктов. В случае «а» брикет имеет более правильную, практически не измененную в результате реакции форму, напоминающую цилиндр. В случае «б» брикеты сильно вытянулись, а значит, прочность такого материала будет меньше за счет образовавшихся больших пор.

Стоит отметить преимущества синтеза в атмосфере аргона. Как видно на поперечном сколе относитльно волны горения (см. рисунок 3), промежуточный слой титана хорошо пропитал МАХ-фазу, прочно склеил поверхности двух брикетов КСТ. Совершенно не видно оксидных включений, то есть количество вредных примесей отсутствует.

Рисунок 3 - Отшлифованный поперечный скол образца подверженный обработке сверлом.

Заключение

Проведено исследование, целью которого было, изучение возможности получение композиционного материла на основе MAX-фазы и титана. Выявлено, что титан не портит наноразмерную структуру карбосилицид титана, а наоборот делает ее более прочной. Была замечена пропитка КСТ титаном в обоих образцах, а в случае с аргоном эта пропитка достигает практически 100%. В обоих случаях, образцы не лишены дефектности, причиной которой может быть слабое начальное прессование порошков, а также большое количество энергии, выделявшееся в результате сильной экзотермической реакции.

Важным свойством MAX-фазы является ее хорошая обрабатываемость, то есть возможность сверлиться, точиться и т.д. Конечный образец после реакции в аргоне показал, что возможность обрабатывать полученный материал имеется.

Таким образом, применение композиционного материала на основе кар-босилицид титана и титана, полученного в результате СВС реакции в атмосфере аргона, в качестве деталей двигателей, электрических контактов, подшипниках, нагревательных элементов, теплообменниках, в качестве покрытий на другие материалы возможно. Список литературы

1. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. М.:Машиностроение_1, 2007. 567 с.

2. Борисов Д.В., Латухин Е.И., Головань А.А. Исследование воздействия температуры на MAX-фазу Ti3SiC2, полученную методом СВС / Д.В. Борисов // Современные материалы, техника и технологии. - 2017. - №2 (10).

Latukhin Evgeniy Ivanovich, Cand.Tech.Sci., Associate Professor (e-mail: evgelat@yandex.ru)

AmosovEvgeniy Alexandrovich, Cand.Tech.Sci., Associate Professor (e-mail: amosov-ea@rambler.ru) Kuznetsov Nikita Valerievich., Student (e-mail: kukuta1994@mail.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia

OBTAINING COMPOSITE MATERIAL CARBOSILICIDE OF TITANIUM AND TITANE

Abstract. This article describes the features of obtaining a composite material based on titanium carbosilicide (MAX phase) and titanium. The synthesis conditions and results are shown, and conclusions are also drawn.

Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, MAX-phase, carbosilicide titanium, composite material.