Введение к работе
В диссертационной работе представлены результаты исследования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) композиций на основе нитридов кремния, алюминия и бора, таких, как SiyN^AlN, S13N4-BN и AIN-BN с применением азида натрия и галоидных солей (СВС-Аз) в одну стадию. На основании полученных результатов разработана технология получения порошков нитридных композиций высокой степени чистоты, улучшенной структуры, не спекающихся в процессе синтеза.
Актуальность работы. Среди тугоплавких соединений, имеющих большое значение в развитии многих отраслей современного производства, важное место занимают нитриды и соединения на их основе. Этот научный интерес относится, в первую очередь, к композициям на основе неметаллических нитридов, обладающим комплексом ценных свойств, таких как высокая тугоплавкость, термостойкость, стойкость в агрессивных химических средах, относительно низкая плотность и т.д. Изделия из керамики на основе композиций SiiN^-AlN, Si^Nn-BN и AIN-BN обладают такими уникальными свойствами, как высокая твердость, прочность, термическая и химическая стойкость, низкая адгезионная способность.
В настоящее время ни один из традиционных способов, таких как печной и плазмохимический, не позволяет получать тугоплавкие порошки нитридных композиций в одну стадию одновременно высокой степени чистоты, улучшенной структуры, заданного гранулометрического состава, сохранив при этом производительность процесса. В связи с этим, проблема по разработке новой технологии СВС-Аз, которая позволила бы решить в комплексе задачи синтеза высококачественных порошков нитридных композиций, является актуальной.
Alrl-ISrs в этих раоотах не рассмат pp6&fi#ktwflftnW'
Технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, разработанная в 1967 году академиком Мержановым А. Г. и профессором Боровинской И.П., в отличие от традиционных способов, позволяет синтезировать нитридные композиции в одну стадию и устранить ряд перечисленных недостатков. Работы по синтезу композиционных порошков проводились в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН) Вер-шинниковым В.И., Смирновым К.Л., Колесничеико К.В., Беловым Д.Ю., Закоржевским В.В. Однако композиции Si-iNA-AlN, S13N4-BN и
, не исследо-
С Петя
ОЭ 700
валась и возможность синтеза нитридных композиций с использованием одного азотируемого элемента, когда второй - находится не в виде свободного элемента, а в составе галоидной соли.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Приказом Министерства образования РФ от 12 сентября 2000 года № 2617 согласно НТП на 2001-2002 года "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (подпрограмма 202 "Новые материалы").
Цель работы. Разработка новой технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза нитридных композиций S13N4-AIN, SiiN^-BN и AIN-BN с использованием азида натрия и галоидных солей в системах с одним азотируемым элементом. Второй азотируемый элемент при этом заимствуется из состава галоидной соли. Система при этом выглядит следующим образом: "Элемент1 -азид натрия - галогенид элсмента2".
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Выбор оптимальных систем для синтеза нитридных композиций в режиме СВС-Аз.
-
Исследование закономерностей горения систем "Элемент 1 -азид натрия - галогенид элемента2".
-
Определение технологических условий, оказывающих влияние на химический и фазовый состав продуктов синтеза.
-
Исследование структурообразования нитридных композиций в режиме СВС-Аз.
5) Построение химической модели образования нитридных
композиций в режиме СВС-Аз.
6) Разработка технологического процесса получения нитридных
композицийАУУд-Л/ІУ, Si^-BN и AIN-BN в режиме СВС-Аз.
Научная новизна работы.
Впервые установлены закономерности образования нитридных композиций SiiNt-AlN, S11N4-BN и AIN-BN в режиме горения в системах, в которых один из нитридообразующих элементов находится в составе галоидной соли. При этом получены результаты, обладающие научной новизной:
1) Установлено, что использование в процессах горения твердых азотсодержащих соединений позволяет достичь высокой концентрации реагирующих веществ в зоне синтеза, в результате чего фильтрационный подвод газа не лимитирует процесс азотирования,
и целевые продукты синтеза имеют высокую степень превращения и, соответственно, чистоты.
2) Показано, что образование в процессе синтеза большого количества газообразных продуктов приводит к разрыхлению реакционной массы и целевых продуктов, предотвращая спекание последних и позволяя сразу после синтеза получать порошкообразные материалы. В ряде случаев порошки нитридных ко мпозицийДіз-МтЛ/ЛГ и S13N4-BN имеют волокнистую структуру.
3)Исследовано структурообразование композиций СВС-Аз SiiN^-AlN, SiiNt-BN, AIN-BN и построена химическая модель их образования в системах "Элемент 1 — азид натрия - галогенид элемен-та2". Исследован процесс и условия получения порошка нитрида кремния а-модификации в композициях ShN^-AlN и S13N4-BN. Найдены условия, при которых содержание а-ЛУУ^ может достигать значений свыше 80 %.
Достоверность научных результатов работы обусловлена тем, что при экспериментальном исследовании процессов горения и анализе продуктов синтеза использовались современные аттестованные методы и методики: использование современного программного обеспечения для выполнения аналитических расчетов; термопарные методы с применением осциллографа; методы рентгенофа-зового, химического и микроскопического анализов; а также сопоставление полученных данных с результатами научных исследований других источников.
Практическая значимость результатов работы.
1) Разработана технологическая схема процесса получения по
рошков нитридных композиций по азидной технологии СВС в усло
виях опытно-промышленного производства. Рассмотрены и решены
экологические проблемы технологии СВС-Аз, связанные с утилиза
цией отходов. В итоге создана действующая технология СВС-Аз
нитридных композиций SiiNrAlN, S11N4-BN и AIN-BN на учебно-
производственной базе СамГТУ "Петра Дубрава".
-
Порошки нитридных композиций марки СВС-Аз были реализованы в качестве исходных для изготовления керамических горяче-прессованных макетных образцов рабочего колеса ротора турбины ГТД и ступицы к нему.
-
Организации, заинтересованные и использующие процессы и продукты СВС-Аз: НИИ технологии и проблем качества при Самарском государственном аэрокосмическом университете, ОАО "По-
волжский НИИ материалов и технологии авиационных двигателей" (Самара), ОАО "НПО Поволжский авиационный технологический институт" (Самара), Институт физики твердого тела и полупроводников ЛН Беларуси, НПО порошковой металлургии (Минск, Беларусь), Международный исследовательский центр порошковой металлургии и новых материалов (Хайдарабад, Индия).
Испытания образцов керамики показали, что нитридные композиции марки СВС-Аз могут эффективно использоваться для получения горячепрессованных изделий с высокими эксплуатационными характеристиками.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: "Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте" (Самара, 1999), "Химия твердого тела и современные микро-и нанотехнологии" (Кисловодск, 2002), "Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин" (Самара, 2003); Международных молодежных научных конференциях 'XXVI и ХХУП Гагаринские чтения" (2000-2001).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 20 работах, в том числе в 2 патентах РФ. Кроме того, результаты исследований были представлены в 4 отчетах НИР, зарегистрированных в ВНТИЦентре.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 199 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 32 таблицы и состоит из введения, четырех разделов, включая обзор литературы, заключения, списка использованных источников (296 наименование) и девяти приложений.
