CC BY
10SEE Si! 19-21 октября 2021 r.
Синтез оксидных, нитридных и оксинитридных
материалов микро- и наноразмеров на основе порошков Al/AlN, Al/Si3N4, Al/Al2O3 в разрядах, инициированных излучением мощного гиротрона
Борзосеков В.Д., Соколов А.С., Степахин В.Д.
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва
Е-mail: dmc63@yandex. ru
Задачи современного материаловедения, связанные с синтезом частиц микро- и наноразмеров, могут быть решены с помощью плазменных микроволновых методов с применением мощных импульсных гиротронов. Например, создание оксидных, нитридных и оксинитридных материалов в микродисперсном состоянии с заданным составом и фрактальной поверхностью, являющихся высококачественными носителями для гетерогенных катализаторов платиновой группы.
Экспериментальные исследования проводились на модифицированном плазмохимическом стенде с использованием микроволнового излучения мощного импульсного гиротрона [1]. Описание плазмохимического реактора приведено в [2]. Микроволновый разряд создавался при атмосферном давлении в воздухе и азоте.
Для исследований использовались стандартные коммерческие порошки диэлектриков и металлов без калибровки по размерам. Вследствие этого необходимо проводить предварительный анализ распределения исходных порошков. На рисунке 1 представлены распределения исходных частиц порошков диэлектриков, которые показали максимальный разброс по размерам частиц порошка. Вариации размеров частиц:
- от сотен нанометров (10 %) до нескольких микрон (Al/AlN, среднее значение 3.6 мкм),
- от 1 (10 %) до десятков микрон (Al/Si3N4, среднее 37 мкм).
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ft]
dft]
б)
■1-ti I I
"Т'ТТПТП .....
'Tim'
lllll
--н ■
i-t I
ГТМП i
J-l-H-l-l----1__
4H№M—i--
ii-trri—i"
.......
itrrri i"
.....
Mill
Mill
-Mm-
Mil it
-ЦШ-
......
-нш-
......
-t+m 111
"ITM 111
i tit
Mill ■itvItI-
¡Mill ......
IMJil.
Рис. 1. Распределение по размерам частиц исходных порошков диэлектриков. а) порошок AlN; б) порошок Si3N4
Предварительная подготовка смеси порошков металла и диэлектриков осуществлялась при помощи перетирания веществ в ацетоне.
Всего было проведено три эксперимента с разными порошками диэлектрика.
Первый эксперимент связан с получением микроволнового пробоя и цепных процессов синтеза оксидов, нитридов и оксинитридов — по возможности с контролируемым составом — в смесях порошков Al и AlN. Al + AlN в воздухе при соотношении по молям 1:4, 1:2, 1:1.
Следующий эксперимент проведен в смесях порошков Al + Si3N4 в воздухе (1:5, 2:4, 3:3, 4:2). Микроволновый пробой и инициация цепных плазмохимических реакций произошли при максимальном содержании металла в порошке при мощности гиротрона 200 кВт и длительности импульса 4 мс (энергия СВЧ
0.8 кДж).
Третий — в смесях порошков Al + Al2O3 в азоте (1:4, 1:2, 1:1). Микроволновый пробой и инициация цепных плазмохимических реакций произошли при максимальном содержании металла в порошке при мощности гиротрона 350 кВт и длительности импульса 6 мс (энергия СВЧ 2.1 кДж).
Для всех смесей порошков были получены пороговые условия для инициации цепных реакций синтеза (Таблица 1).
™лояыГ»нЁ= 19-21 октября 2021 r.
«ПРОХОРОВСКИЕ НЕДЕЛИ»
Таблица 1
Пороговые условия для инициации цепных реакций синтеза
Смеси порошков Газовая Мощность Длина СВЧ Пороговая
(мольное среда гиротрона, импульса, энергия,
соотношение) кВт мс кДж
Al/AlN (1:1) воздух 350 4 1.4
Al/Si3N4 (4:2) воздух 200 4 0.8
Al/AhO3 (1:1) азот 350 6 2.1
В процессе выполнения научно-исследовательской работы развит метод получения оксидных, нитридных и оксинитридных материалов в микродисперсном состоянии с заданным составом и фрактальной поверхностью. Синтезированные частицы могут быть носителями для катализаторов на основе платиновых металлов. В процессе первого этапа исследований проведены первые эксперименты с платиной.
Изготовленные образцы оксидных, нитридных и оксинитридных материалов микро- и наноразмеров пригодны в качестве носителей для катализаторов на основе платиновых металлов.
Авторы выражают благодарность научному коллективу проекта ГЗ БВ10 2021, в особенности Гусейн-заде Н.Г, Скворцовой Н.Н. и Шишилову ОН.
1. Kharchev N.K., Batanov G.M., Berezehetskii M.S., et al. Plasma and Fusion Research. 2011, 6,2402142.
2. Skvortsova N.N., Shishilov O.N., Akhmadullina N.S., et al. Ceramics International. 2020,47,3978.
