Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день известно несколько сот реакций СВС. Подробно изучались реакции прямого синтеза из элементов. В качестве реагентов используются как металлы (Ті, Hf, Mo, Ni, Al, и др.), так и неметаллы (В, С, Si, N2, Н2 и др.). Продуктами горения являются ценные продукты - карбиды, бориды, нитриды, силициды, гидриды, халькогениды и другие.
Большой интерес также проявляется к горению более сложных многокомпонентных систем, состоящих как из химических элементов, так и соединений. Это объясняется тем, что, с одной стороны, богаче и разнообразнее проявляются новые закономерности процесса горения, а с другой стороны, могут быть получены материалы, обладающие уникальными свойствами.
Одним из основных направлений развитая техники является изучение новых конструктивных материалов, покрытий и изделий на основе металлических порошков, тугоплавких соединений и сплавов, предназначенных для работы при высоких температурах, давлениях и скоростях, вакууме, в условиях радиационного воздействия, при очень высоких нагрузках, при воздействии сильноагрессивных сред. Синтез подобных материалов методом СВС, получившим в последнее время большое распространение, является одним из наиболее перспективных направлений материаловедения.
Традиционным сырьем для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза являются чистые вещества в твердом или газообразном состоянии, а также твердые окислы (в реакциях термитного типа либо реакциях между оксидами). Возможности применения других типов соединений изучены в гораздо меньшей степени. Интерес к использованию новых классов неорганических и органических соединений в качестве исходных реагентов для СВС возрастает в последние годы. Это связано не только с необходимостью расширения сырьевой базы, но и, прежде всего, с поисками эффективных способов формирования заданной микроструктуры продуктов. Использование в многокомпонентных системах нетрадиционных реагентов (BN, Si3N4) позволит не только влиять на струкгурообразование, но также намного облегчит и обезопасит эксперимент, а также имеет большое прикладное значение, так как нитриды в этом случае служат твердым источником реакционноспособного азота.
Цель работы. Большинство из исследованных многокомпонентных СВС-систем включает одну ведущую реакцию и остальные - второстепенные. Например, в системе Ti-C-Ni реакция Ti+C гораздо интенсивнее, чем Ti+Ni, и, тем более, чем Ni+C. То же самое можно
сказать и о других системах. Одна из целей данной работы заключается в том, чтобы изучить механизм горения и структурообразования, когда две реакции примерно "равносильны" и конкурируют между собой. Таких систем изучено немного, и имеющихся данных явно.недостаточно для понимания механизма. Поэтому очень актуальна задача., изучения; именно:ч таких многокомпонентных систем.
В системах с конкурирующими, реакциями, вторая, реакция -
мощное средство ;для управления структурообразованием. Поэтому
изучение, механизмов горения . многокомпонентных систем
необходимо для управления,, .микроструктурой продуктов,' и
получения новых материалов. Гг'. ' .,,. , . ... ., ,
В рамках данного подхода,",'одна.'из целей работы состояла в изучении принципиальной возможности и , целесообразности использования неметаллических нитридов.(BN, ) в качестве исходного реагента для процессов СВС безгаз'ового! типа, в определении закономерностей и механизмов горения, состава и микроструктуры продуктов.
В то же время, многофазные материалы позволяют объединить достоинства двух и более очень разных соединений и компенсировать их недостатки. Например, в керметах объединяется твердость керамической фазы (ТІС, TiB2 и др.) с прочностью и пластичностью металлической связки (Ni, Си и др.). В результате многофазный материал обладает набором свойств, который не может быть обеспечен ни одной из фаз по отдельности. Продолжение этой идеи на макроуровень приводит к созданию ФГМ, здесь одна часть изделия может обладать твердостью и износостойкостью, другая пластичностью и теплопроводностью, а изделие в целом - превосходными качествами. Изучение закономерностей горения и механизмов формирования концентрационных профилей при СВС позволит создавать более новые, замечательные по свойствам и применению функционально-градиентные материалы.
Научная новизна. Впервые исследованы закономерности распространения волны СВС в системах Ti-Si-C, Ti-B-N, Ti-Si-N, состоящих из элементарных порошков и соединений (SiC, BN, Si3N4), когда.все исходные реагенты находятся в твердом состоянии. При взаимодействии высокопористых смесей титана с волокнами SiC обнаружен новый вид крупноочаговой неоднородности фронта горения, определяемый микроструктурой реагирующей среды.
Найден эффект измельчения зерен в конечном материале благодаря одновременной кристаллизации двух керамических фаз из матричного расплава.
Определены условия реализации различных режимов горения -
от квазистационарного распространения S-образного фронта до режима быстрого сгорания первого слоя с последующим реагированием второго слоя в режиме теплового взрыва для многослойных образцов.
Практическая ценность. Получены мелкозернистые керамические материалы и керметы на их основе (с добавлением металлического связующего - Ni, Со, Си).
Синтезированы материалы на основе тройной фазы Ti3SiC2, определен оптимальный диапазон составов исходной шихты для синтеза композиционной керамики ТЇ'з8іС2/ТіС,
С использованием метода СВС с горячим прессованием получены монолитные керамические и керамикометаллические материалы, как однородные, так и градиентные. Показано, что использование неметаллических карбидов и нитридов в ряде случаев позволяет избежать термического растрескивания спрессованных изделий при остывании. Полученные изделия были испытаны в качестве мишеней для магнетронного напыления и показали положительные результаты. Синтезированные материалы могут быть использованы также в различных огнеупорных, износостойких и химически стойких изделиях.
Апробация работы. Результаты работы, вошедшие в диссертацию, докладывались на конференциях молодых ученых ИСМАН (1997, 1998, 1999); II International school-seminar Modern problems of combustion and its applications, Minsk, Belarus, August 30-September4, 1997; IV International symposium on SHS. Toledo (Spain), October 6-10, 1997; NATO ASI, Materials science of carbides, nitrides and borides. St. Petersburg, August 12-22, 1998 (грамота за лучшую стендовую работу); FGM98, Dresden (Germany), October, 1998; V International Symposium on SHS. Moscow, Russia, August 16-19,1999.
Публикации. Основное содержание и результат диссертации изложены в 8 публикациях в научных отечественных и зарубежных журналах; одна работа находиться в печати.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы из 114 наименований. Общий объем диссертации составляет 143 страницы текста, включая 47 рисунков и 5 таблиц.
