CC BY
10
УДК 666.775-798.2
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИТНОГО НИТРИДНОГО ПРОДУКТА Si3N4-TiN-Si,
ПОЛУЧЕННОГО В РЕЖИМЕ СВС-АЗ ИЗ СИСТЕМ С РАЗНЫМ АЗОТИРУЕМЫМ ЭЛЕМЕНТОМ Кондратьева Людмила Александровна, д.т.н, профессор (e-mail: schiglou@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Представлены результаты по синтезу композиции Si3N4-TiN-Si из систем с разным азотируемым элементом. Получить композицию удалось, однако фазовый состав целевого продута, полученного из разных систем, отличается и представляет собой следующее соотношение: система №1: Ш0,30 < TiN < a-Si3N4 < Si, система №2: TiN < fi-Si3N4 < a-Si3N4 < Si.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, композиция, нитрид, нанопорошок, частицы.
Известно, что для того чтобы улучшить механические свойства материалов необходимо уменьшать размер порошков, переходя к нанопорош-кам и изготовлению наноструктурной керамики. Однако традиционные методы спекания применять не желательно, так как в этих методах из-за большой склонности нанопорошков к агломерации происходит их укрупнение. Наноразмерные композиты можно получать как ex-situ механическим смешиванием готовых нанопорошков, так и in-situ образованием на-ночастиц из прекурсоров порошковой смеси за счет химических реакций [1-6]. Одним из перспективных in-situ методов является технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, а точнее азидная технология СВС, которая позволяет получать в режиме горения нанопо-рошковый продукт [7-10].
В работе представлены результаты по in-situ синтезу композиции Si3N4-TiN-Si из двух систем с разным азотируемым элементом (таблица 1).
С помощью рентгенофазового (РФА) и энергодисперсионного анализа был установлен не только фазовый (качественный), но и количественный состав синтезируемого продукта из систем «3(NH4)2SiF6+Ti+18NaN3» и «3Si+(NH4)2TiF6+6NaN3» (рисунки 1 и 2) [11-12].
Исходная реакционная смесь компонентов, состоящая из гексафторси-ликата аммония (NH4)2SiF6, титана Ti и азида натрия NaN3, представляла собой смесь крупных агломератных частиц галоидной соли и азида натрия осколочной формы, и микронных частиц титана равноосной формы.
Таблица 1 - Результаты синтеза композиции 813К4-Т1К-81 _из систем с разным азотируемым элементом_
№ Система Т, °С и, см/с Цвет продукта Количественный фазовый состав
1 3 (КИ4)231Рб+Т1+18КаКз 900 0,15 темно-серый ™ - 20 %; ™0,30 - 53 %; а-Б13К4 - 18 %; - 10 %
2 331+(КИ4)2Т1Рб+6КаКз 900 0,50 темно-серый ™ - 57 %; а-Б13К4 - 10 %; Р-Б13К4 - 23 %; - 10 %
гоо_
♦ -Ш
• - Шо.зо
А -Й □ -
во.
О ♦
... ♦
□ '1\; 1V □]' 1 1 •
ц '^дА,,, А * □
—1—]—.—|—.—|—.—|—.—|—.—|—I—|—I—|—1—|—1—|—.—|—.—|—■
30,0 34,0 38.0 «2.0 46.0 30.0 31.0 38.0 «2.0 66.0 10,0 71.0 78.П
20, град
а)
600.
400
200.
♦ -ТМ
А Й
О -□ -
О
Л
№
о п0
V»®
♦ ^
30 0 Э<.0 за.О 12.0 (С О 50 0 54.0 5В.0 62.0 £6.0 1(1.0 18 О
20, град б)
Рисунок 1 - Результаты РФА продуктов, полученных из систем: а) «3(КИ4)231Рб+Т1+18КаКз»; б) «381+(КИ4)2Т1Рб+6КаКз»
а) б)
Рисунок 2 - Диаграммы количества фаз конечных продуктов, полученных из систем: а а) «3(NH4)2SiF6+Ti+18NaNз»; б) «3Si+(NH4)2TiF6+6NaNз»
а) б)
Рисунок 3 - Морфология частиц конечного продукта, полученного из систем: а) «3(NH4)2SiF6+Ti+18NaN3»; б) «3Si+(NH4)2TiF6+6NaN3»
После сгорания в волне СВС исходной шихты «3(NH4)2SiF6+Ti+18NaN3» синтезированный продукт, представлял собой наноструктурную композицию Si3N4-TiN-Si, состоящую из нано- и субмикрокристаллических частиц тригонального а^^^ (18 %) с размером 100-150 нм, субмикрокристаллических равноосных частиц кубического TiN (20 %), гексагонального ^N030 (53 %) с размером 150-200 нм и субмикрокристаллических сферических и равноосных частиц кубического Si (10 %) с размером 250-300 нм (рисунок 3а), являющегося побочным продуктом реакции [10, 13, 14].
Образование фазы Т^,30 в целевом продукте связано с тем, что в процессе синтеза количество титана велико по сравнению с количеством азота, участвовавшим в химических реакциях азотирования, поэтому образуется нитрид титана с меньшим количеством азота в своем составе - ^N030. При уменьшении в исходной шихте количества свободного титана и увеличения количества галоидной соли в синтезированной продукте уменьшается доля ^N030 вплоть до полного исчезновения [15].
Исходная реакционная смесь компонентов, состоящая из кремния Si, гексафтортитаната аммония (NH4)2TiF6 и азида натрия представляла
собой смесь крупных агломератных частиц галоидной соли и азида натрия осколочной формы, и микронных частиц кремния равноосной формы. После сгорания в волне СВС исходной шихты «3Si+(NH4)2TiF6+6NaN3» синтезированный продукт, представлял собой наноструктурную композицию Si3N4-TiN-Si, состоящую из субмикрокристаллических пластинчатых и осколочных частиц гексагонального ß-Si3N4 (23 %) с поперечным размером 150-200 нм, нанокристаллических волокон тригонального a-Si3N4 (10 %) с поперечным размером 100-120 нм, нанокристаллических равноосных частиц кубического TiN (57 %) с размером 70-100 нм и субмикрокристаллических сферических и равноосных частиц кубического Si (10 %) с размером 250-300 нм (рисунок 3б) [10, 13, 14].
Таким образом, композицию Si3N4-TiN-Si удалось получить в обеих исследуемых системах, однако фазовый состав конечного продукта различен: система №1 - TiN0,30 < TiN < a-Si3N4 < Si, система №2 - TiN < ß-Si3N4 < a-Si3N4 < Si.
Список литературы
1. Амосов, А.П. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учебное пособие / А.П. Амосов, И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов.- М.: Машиностроение-1, 2007. 568 с.
2. Gromov, А.А. Nitride Ceramics / А.А. Gromov, L.N. Chukhlomina.- 2015. pp. 358.
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.
4. Мержанов, А.Г. СВС-процесс: Теория и практика горения / А.Г. Мержанов // Препринт.- Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 1980. 32 с.
5. Мержанов, А.Г. Процессы горения и синтез материалов / А.Г. Мержанов.-Черноголовка: ИСМАН, 1998. 512 с.
6. Мержанов, А.Г. Твердопламенное горение / А.Г. Мержанов.- М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007. 336 с.
7. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика // Сборник научных статей под ред. Е.А. Сычева.- Черноголовка: Территория, 2001. 432 с.
8. Амосов, А.П. Примеры регулирования дисперсной структуры СВС-порошков: от монокристальных зерен до наноразмерных частиц / А.П. Амосов, И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов, А.Е. Сычев // Известия вузов «Цветная металлургия». - 2006. - № 5. -С.9-22.
9. Амосов, А.П. Получение нанопорошков и нановолокон азидной технологии СВС / А.П. Амосов, Г.В. Бичуров // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия Технические науки.- Новочеркасск: СамГМУ, 2005.- С. 62-68.
10. Кондратьева, Л. А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез порошков нитридных композиций Si3N4-TiN, Si3N4-AlN, Si3N4-BN, AlN-BN, AlN-TiN, BN-TiN с применением азида натрия и галоидных солей: дисс.. .докт.техн.наук. /Л. А. Кондратьева.- Самара: СамГТУ.- 2018. 881 с.
11. Амосов, А.П. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов: Монография. / А.П. Амосов, Г.В. Бичуров.- М.:Машиностроение-1, 2007. 526 с.
12. 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.
13. Кондратьева, Л. А. Исследования горения систем для синтеза нитридной композиции Si3N4-TiN / Л. А. Кондратьева, И. А. Керсон // Научно-технический журнал «Современные материалы, техника и технологии».- №3 (6), Курск, 2016. С. 27-31.
14. Kondratieva, L.A. Investigation of possibility to fabricate Si3N4-TiN ceramic nanocomposite powder by azide SHS method / L.A. Kondratieva, I.A. Kerson, A. Yu. Illarionov, A.P. Amosov, G.V. Bichurov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 156 (2016), рр. 1-6.
15. Чухломина, Л.Н. Синтез нитридов элементов III-VI групп и композиционных материалов на их основе азотированием ферросплавов в режиме горения: дисс. ... докт.техн.наук / Л.Н. Чухломина.- Томск.- 2009. 386 с.
Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,
doctor of technical sciences, Professor
(e-mail: schiglou@yandex.ru)
Samara state technical University, Samara, Russia
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE CHARACTERISTICS
OF THE COMPOSITE NITRIDE PRODUCT Si3N4-TiN-Si,
OBTAINED IN THE SHS-AZ MODE FROM SYSTEMS
WITH DIFFERENT NITRIDED ELEMENT
Abstract. The results of synthesis of Si3N4-TiN-Si composition from systems with different nitrided element are presented. The composition was obtained, but the phase composition of the target product obtained from different systems differs and is the following ratio: system № 1: TiN0,3o < TiN < a-SiN < Si, system №2: TiN < p-SisN4 < a-SiN < Si. Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, composition, nitride, nanopowder, particles.
