Введение к работе
з
Актуальность темы: Развитие современных технологий в материаловедении обеспечивается путем применения новых материалов, сочетающих в себе ряд положительных свойств, выходящих за пределы характеристик традиционно используемых материалов. Среди тугоплавких неметаллических соединений значительный интерес представляет нитрид алюминия и керамические материалы (КМ) на его основе, обладающие высокой теплопроводностью, низкой электрической проводимостью -и низким коэффициентом термического расширения при высоких температурах. Материалы на основе AIN широко используются в микроэлектронике, в лазерной технике, в космическом материаловедении, для изделий, контактирующих с расплавами металлов при повышенных температурах и др. Керамика на основе нитрида бора, напротив, имеет хорошие теплоизоляционные свойства, обладает высокой радиационной стойкостью, и перспективна в качестве материала для первой стенки термоядерных реакторов. Порошкообразный BN является компонентом высокотемпературных смазок. Композиционная керамика АБН-40 и АБН-20 (твердые растворы нитрида бора в нитриде алюминия) используются в качестве теплоносителя в теплотехнике и энергетике.
Известные способы получения нитридов алюминия и бора энергоемки, требуют сложного оборудования и, как правило, многостадийны. Карботермический синтез A1N, использующийся в промышленности, включает обжиг смесей оксида алюминия с углем в чистом азоте при температурах >1500С. При этом выход A1N не превышает 50% в пересчете на исходный оксид. Считающийся наиболее перспективным самораспространяющийся высокотемпературный синтез также имеет недостатки. Они связаны с недогоранием, агломерацией продуктов и необходимостью их многократного измельчения и доазотирования.
К настоящему времени установлено, что сверхтонкие порошки (СТП) алюминия, бора, титана и циркония способны гореть на воздухе с образованием нитридов. При окислении и горении А1 и В в виде СТП имеют место более высокие скорости и степени превращения. В связи с этим актуальной проблемой является разработка основ технологии и поиск путей регулирования состава получаемых нитридсодержащих продуктов, проблема повышения выхода нитридов при их синтезе в условиях горения. Использование продуктов горения СТП алюминия и бора в практике представляет значительный интерес для решения ряда проблем современного материаловедения.
Работа выполнялась в рамках целевой программы НИОКР Минатома РФ "Получение, исследование свойств и применение ультрадисперсных материалов - нанокристаллов" (Приказы министра РФ по атомной энергии №
311 от 24.05.96 и № 595 от 07.05.98) и при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 98-02-16321) и Министерства образования (код проекта 98-8-5.2-74),.
Цель работы.
Разработка исходных данных для технологии нитридсодержащих керамических материалов, получаемых с помощью синтеза при горении сверхтонких порошков алюминия и бора в атмосфере воздуха. В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:
изучение влияния добавок СТП металлов и неметаллов на синтез нитридов и оксинитридов при горении СТП алюминия;
установление особенностей фазо- и структурообразования в синтезе нитридов алюминия и бора при горении.
определение параметров регулирования выхода нитридов при горении СТП алюминия в условиях пониженного давления воздуха;
разработка на основе проведенных исследований временного технологического регламента и технических условий на нитридсодержащий КМ;
поиск наиболее эффективных областей применения нитридсодержащих материалов, получаемых при горении СТП алюминия и бора;
Научная новизна.
уточнен механизм синтеза нитридсодержащих КМ при горении СТП алюминия и бора на воздухе: в процессе синтеза промежуточные продукты находятся в газовой фазе, поэтому на процесс синтеза влияет уменьшение давления, и конечные продукты синтеза сильно отличаются от исходных СТП по морфологическим характеристикам;
проведен расчет изобарно-изотермических потенциалов всех стадий синтеза нитридсодержащих КМ и предложена схема процессов, протекающих при низких (293 К) и высоких температурах (2800 К);
установлено, что добавки СТП простых веществ максимально повышают содержание A1N на 11,3% мае. (в пересчете на связанный азот), добавка бора -на 15,0% мае, понижение давления (замкнутый объем) - на 17,8% мае, увеличение массы образцов - на 26,7% мае, но наибольшее влияние на содержание связанного азота в нитридсодержащих КМ оказывает температура в зоне реакции.
Практическая значимость работы:
- определены параметры регулирования состава нитридсодержащих материалов,
полученных синтезом при горении СТП А1 и В, и показано, что содержание
нитрида алюминия может быть увеличено путем введения добавок СТП
простых веществ, сжигания смесей СТП (А1+В), за счет ограничения доступа
воздуха, увеличения массы образцов;
на основе проведенных исследований разработаны технические условия на
нитридсодержащие КМ, получаемые синтезом при горении на воздухе СТП
алюминия, бора и их смесей;
определены технологические параметры производства КМ и разработан
временный технологический регламент;
полученные КМ испытаны в качестве противоизносных добавок в
композиционные материалы и в качестве абразива в материалы для шлифовки;
предложены перспективные области применения синтезированных
нитридсодержащих КМ: производство нитридсодержащей керамики и
производство аммиака;
результаты проведенных исследований использованы при разработке
энерговыделяющих смесей и в диагностике реакционной способности СТП.
Апробация работы.
Основные результаты по теме диссертационной работы обсуждались на XI Симпозиуме РАН по горению и взрыву (ИХФЧ, г. Черноголовка, 1996); Всероссийской научной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики" (НИИПММ при ТГУ, г. Томск, 1998); IV Всероссийской конференции "Физикохимия ультрадисперсных систем" (МИФИ, г. Москва, 1998); Ш Международном Симпозиуме "Сибконверс'99" (ТУСУР, г. Томск, 1999); III Русско-Корейском Международном Симпозиуме "КОРУС99" (НГТУ, г. Новосибирск, 1999); Второй межрегиональной конференции с международным участием "Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы" (КГТУ, г. Красноярск, 1999), региональной конференции "Современные техника и технологии (СТТ'2000)" (ТПУ, г. Томск, 2000), на научных семинарах НИИ ВН при ТПУ.
Публикации.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в пяти статьях, десяти тезисов докладов, одной монографии. Получено одно положительное решение по заявке на патент РФ.
Объем и структура диссертационной работы.
Диссертация изложена на 172 страницах машинописного текста, состоит из шести глав, заключения, основных выводов и приложения, содержит 29 рисунков, 42 таблицы. Список литературы состоит из 182 источников.
