Введение к работе
Актуальность работы. Диссертация посвящена исследованию и разработке азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза нанопорошков нитрида алюминия и карбида кремния, которые могут существенно повысить эффективность использования AlN и SiC в микроэлектронике, светодиодной технике, высокомощной электронике, катализе, абразивной обработке, керамике, композиционных материалах, а также в качестве модификаторов и нано-размерной дискретной армирующей фазы в литых алюмоматричных композитах.
Известные технологии получения нитрида алюминия и карбида кремния (печной способ, плазмохимический синтез, электровзрыв алюминиевой проволоки, термическая деструкция карбосилана и др.) характеризуются большим энергопотреблением, сложным оборудованием и не всегда обеспечивают наноразмерность порошков AlN и SiC. Основные недостатки известных технологий могут быть устранены с использованием открытого в 1967 году российскими учеными А. Г. Мержановым, И. П. Боровинской и В. М. Шкиро самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), который протекает в форме горения за счет собственного тепловыделения в простом малогабаритном оборудовании и занимает мало времени.
Однако реализация СВС в классическом варианте с использованием газообразного азота в качестве азотирующего реагента не позволяет при синтезе нитрида алюминия получать наноразмерный порошок, а при синтезе карбида кремния позволяет получать смесь наноразмерного и значительно более крупного порошка.
Для решения задачи получения нанопорошков AlN и SiC по ресурсосберегающей технологии СВС перспективно использование такого ее варианта, как азидная технология СВС, которая с 1970 года разрабатывается в Самарском государственном техническом университете и обозначается как СВС-Аз. Технология СВС-Аз основана на использовании азида натрия (NaN3) в качестве твердого азотирующего реагента и галоидных солей. Для азидной технологии СВС характерны невысокие температуры горения и образование большого количества газообразных продуктов, которые затрудняют слияние первоначальных частиц продуктов синтеза и позволяют сохранить их в наноразмерном состоянии.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», государственный контракт № 14.513.11.0042; при финансовой поддержке проекта НОЦ 14.740.11.08.09 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области естественных и технических наук» при использовании оборудования Центра коллективного пользования СамГТУ; в рамках тематического плана СамГТУ на 2008-2009 годы по теме «Исследование закономерностей и условий образования нановолокон нитридов алюминия и титана в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с использованием азида натрия и галоидных солей»; по АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», тема № 537/09 «Исследование процесса образования наноструктурированных порошков нитридов при горении смесей «галогенид азотируемого элемента – азид натрия».
Цель работы. Целью настоящей работы является исследование процесса и раз-работка технологии получения микро- и нанопорошков нитрида алюминия и карбида кремния в режиме СВС-Аз для применения в различных отраслях промышленности, в том числе и в качестве эффективных модификаторов литейных алюминиевых сплавов.
Для достижения поставленной цели в работе должны быть решены следующие задачи:
1. Выбор оптимальных систем для синтеза нитрида алюминия и карбида кремния в режиме СВС-Аз на основании результатов термодинамического анализа.
2. Исследование основных закономерностей горения предложенных систем СВС-Аз.
3. Исследование конечных продуктов синтеза.
4. Исследование механизма образования нитрида алюминия и карбида кремния по азидной технологии СВС.
5. Разработка технологического процесса получения нитрида алюминия и карбида кремния по азидной технологии СВС.
Объект исследования. Микро- и нанопорошки нитрида алюминия и карбида кремния, полученные по азидной технологии СВС.
Предмет исследования. Физико-химические процессы нитридо- и карбидообразования, формирования фазового состава, структуры синтезированных нитридов и карбидов.
Научная новизна работы. Впервые установлены закономерности образования нитрида алюминия из системы «AlF3–NaN3» и карбида кремния из системы «Si–NaN3–(NH4)2SiF6–C–Al» в режиме горения. При этом получены результаты, обладающие научной новизной:
1. Установлено, что использование в качестве исходного реагента не металлического порошка алюминия, а его химического соединения в виде галоидной соли AlF3 в системе «фторид алюминия – азид натрия» позволило получить в процессе СВС-Аз наноструктурированный порошок нитрида алюминия с диаметром волокон 50-100 нм. Подтверждено, что использование в качестве исходных компонентов не чистых порошков металлов, а их соединений позволяет проводить реакцию в газовой фазе, что дает возможность получать наноструктурированные порошки нитридов.
2. Показано, что добавление в исходную шихту «фторид алюминия – азид натрия» порошка алюминия не позволяет синтезировать при проведении процесса СВС-Аз наноразмерный нитрид алюминия, так как при этом значительно увеличиваются температура горения и размер частиц конечного продукта.
3. Установлено, что использование системы «кремний – азид натрия – гексафторсиликат аммония – углерод – алюминий» позволило синтезировать при проведении процесса СВС-Аз композицию на основе нанопорошка карбида кремния, размер частиц которого составляет 70-100 нм, и нитевидных кристаллов нитрида кремния диаметром порядка 100 нм.
4. Показано, что синтезированные микро- и нанопорошки нитрида алюминия и композиции на основе карбида кремния можно использовать в качестве эффективных модификаторов литейных алюминиевых сплавов и армирующей фазы в дисперсно-упрочненных алюмоматричных композитах.
Достоверность научных результатов работы обусловлена тем, что при экспериментальном исследовании процессов горения и анализе продуктов синтеза использовались современные аттестованные методы и методики: современное программное обеспечение для выполнения аналитических расчетов; термопарные методы с применением аналого-цифрового преобразователя; методы рентгенофазового, химического, электронно-микроскопического и гранулометрического анализов; а также сопоставление полученных данных с результатами научных исследований из других источников.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Полученные микро- и нанопорошки нитрида алюминия и карбида кремния могут быть использованы в качестве эффективных модификаторов литейных алюминиевых сплавов и армирующих фаз в дисперсно-упрочненных алюмоматричных композитах. Использование псевдолигатуры на основе карбида кремния (Cu-10%SiC) при модифицировании алюминиевого сплава АК6М2 позволяет измельчать дендриты -Al в 2,5 раза, что способствует повышению механических свойств сплава: твердость по Бринеллю (HB) увеличивается на 20 %, относительное удлинение () – в 3 раза, предел прочности (В) – на 20 % относительно свойств регламентированных ГОСТ 1583-93.
2. Определены оптимальные параметры для синтеза и разработаны технологические схемы процессов получения микро- и нанопорошков нитрида алюминия и композиции на основе карбида кремния по азидной технологии СВС в условиях опытно-промышленного производства.
3. Организовано опытное производство микро- и нанопорошков нитрида алюминия и композиции на основе карбида кремния марки СВС-Аз на учебно-опытной базе «Петра-Дубрава».
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Международная научная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии»,
24 апреля 2010 г., Липецк; Международная научно-практическая конференция «Техника и технологии: пути инновационного развития», 1 июля 2011 г., Курск; VI-я Международная научная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии», 28 января 2012 г., Липецк; XVIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 9-13 апреля 2012 г., Томск; Всероссийская научно-техническая интернет-конференция с международным участием «Высокие технологии в машиностроении», 24-26 октября 2012 г., Самара; VI Международная научно-практическая конференция «Научная дискуссия: вопросы физики, математики, информатики», 22 января 2013 г., Москва; VIII Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Wyksztalcenie i nauka bez Granic – 2012», 07 – 15 grudnia 2012 roku, Praha; III Международный научный форум студентов, магистрантов, аспирантов «Наука в исследованиях молодых», 17 мая 2013 г., Новосибирск.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 20 работах, в том числе 5 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Подана 1 заявка на патент РФ.
Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Автор принимал личное участие в обсуждении идей, выполнении термодинамических расчетов, проведении экспериментов, исследовании полученных материалов, обработке полученных результатов, написании статей, докладов и разработке рекомендаций по организации технологического процесса производства микро- и нанопорошков AlN и композиции на основе SiC по технологии СВС-Аз.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 207 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 33 таблицы и состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка использованных источников (169 наименований) и приложений на 8 страницах.
