Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 11
Выводы к главе 1 32
Глава 2. Исходные материалы. Методы исследований физико-химических свойств материалов 34
2.1 Исходные материалы 34
2.2 Методология и методы исследований 38
2.3 Определение кинетических параметров 43
Выводы к главе 2 45
Глава 3. Термодинамический анализ пирохимической технологии получения нитрида алюминия 46
Выводы к главе 3 59
Глава 4. Экспериментальные результаты 61
4.1 Особенности аппаратурного оформления для исследования процесса получения нитрида алюминия газофазным способом 61
4.2 Исследование кинетики процесса получения нитрида алюминия 75
4.2.1 Влияние температуры на процесс получения нитрида алюминия 78
4.2.2 Влияние давления азота на процесс получения нитрида алюминия 83
4.2.4 Влияние стехиометрического соотношения исходных компонентов на процесс синтеза нитрида алюминия 84
4.2.3 Влияние расхода азота на процесс получения нитрида алюминия 87
4.2.5 Определение энергии активации процесса получения нитрида алюминия 90
4.3 Исследование продуктов взаимодействия 91
4.4 Низкотемпературный метод выделения нитрида алюминия из продуктов взаимодействия 98
Выводы к главе 4 110
Глава 5. Обсуждение результатов исследования 112
5.1 К вопросу о механизме пирохимического газофазного процесса получения нитрида алюминия 112
5.2 Технологические операции процесса 121
5.3 Практическое использование 124
Выводы к главе 5 126
Заключение 127
Список использованной литературы 128
Приложения 147
- Определение кинетических параметров
- Особенности аппаратурного оформления для исследования процесса получения нитрида алюминия газофазным способом
- Низкотемпературный метод выделения нитрида алюминия из продуктов взаимодействия
- Практическое использование
Введение к работе
Актуальность работы. Нитрид алюминия обладает отличительной совокупностью физико-химических свойств, позволяющей предположить о перспективности его применения в электронной, электротехнической, металлургической, машиностроительной, атомной отраслях промышленности, в огнеупорном производстве, как в виде спеченного материала, так и в качестве наполнителя или модификатора полимерных органических и неорганических матриц при создании композиционных материалов.
Сдерживающим фактором широкого применения этого материала является низкая эффективность существующих промышленных способов получения нитрида алюминия, которые не могут обеспечить требуемую чистоту конечного продукта, а также не позволяют варьировать крупность частиц получаемых порошков. В свою очередь методики, позволяющие получать высокодисперсные порошки, являются очень энергоемкими и высокозатратными. В связи с этим, исследования, направленные на модернизацию и совершенствование технологий получения дисперсного нитрида алюминия являются на сегодняшний день актуальной задачей.
Целью работы является разработка усовершенствованной пирохимической технологии получения дисперсного нитрида алюминия требуемого качества.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
выполнить всесторонний анализ известных данных о технологиях получения нитрида алюминия с целью вскрытия недостатков существующих методов и выбора направления совершенствования пирохимических способов получения дисперсного нитрида алюминия;
исследовать процессы получения дисперсного нитрида алюминия и сопутствующие реакции в системе «газ - газ», «газ - твердое», «газ - жидкое», «жидкое - твердое» с помощью термодинамического метода анализа;
- исследовать и предложить механизм пирохимического способа
получения нитрида алюминия;
отработать технологические параметры для пирохимического способа получения дисперсного нитрида алюминия;
разработать усовершенствованную технологию получения дисперсного нитрида алюминия и экспериментально подтвердить достоинства предложенного способа;
- исследовать физико-химические свойства дисперсного нитрида
алюминия, полученного по усовершенствованной пирохимической технологии;
- сформулировать предложения для создания опытно-промышленной
установки по получению нитрида алюминия по усовершенствованной
пирохимической технологии.
На защиту выносятся:
1. Термодинамический анализ химических реакций в системе «газ - газ»
«газ - твердое», «газ - жидкий металл», «жидкий металл - твердое» при
получении дисперсного нитрида алюминия пирохимическим способом из
фторидов алюминия.
-
Механизм и кинетика пирохимического способа получения дисперсного нитрида алюминия с использованием фторидов алюминия.
-
Усовершенствованная пирохимическая технология получения дисперсного нитрида алюминия из фторидов алюминия.
Научная новизна работы.
-
Обоснована целесообразность использования пирохимической технологии, как наиболее приемлемой для промышленного получения дисперсного нитрида алюминия с требуемыми характеристиками.
-
Предложен механизм пирохимического способа получения дисперсного нитрида алюминия с использованием фторидов алюминия.
3. Впервые, с использованием термодинамического метода анализа,
исследованы возможные химические реакции в системе газ - твердое, газ -
жидкий металл, жидкий металл - твердое при получении дисперсного нитрида
алюминия пирохимическим способом из фторидов алюминия, а также
обоснована возможность введения добавок YF3, повышающих характеристики конечного продукта на стадии процесса получения A1N.
-
Установлены технологические параметры: использование газообразного азота при атмосферном давлении в интервале температур 1150-1250 С для получения дисперсного нитрида алюминия с размером частиц до 200 нм пирохимическим способом из фторидов алюминия.
-
Установлено, что металлическая поверхность жидкого алюминия способствует образованию игольчатых частиц нитрида алюминия, пригодных для дальнейшего использования в качестве модифицирующих добавок в композиционные материалы.
Практическая значимость работы. Предложена непрерывная технология процесса газофазного получения нитрида алюминия с раздельными зонами образования A1N и конденсации A1F3, что позволяет получить дисперсный A1N требуемой чистоты, исключая стадию разделения компонентов. Установлено, что в качестве футеровочного материала реакционной зоны, либо в качестве конструкционного материала для изготовления основных частей реакционной камеры для получения дисперсного нитрида алюминия, при соответствующей организации процесса, может быть использован пирографит или графит марки ГМЗ. Предложен низкотемпературный способ выделения нитрида алюминия из продуктов взаимодействия путем гравитационного разделения компонентов в органической среде. Усовершенствованная технология получения дисперсного нитрида алюминия находится в стадии патентования.
Нитрид алюминия, полученный по усовершенствованному способу
применен в производстве теплопроводного электроизоляционного
композиционного материала с теплопроводностью до 7 Вт/м-К,
электросопротивлением не ниже 10 Ом-см, электрической прочностью не
ниже 50 МВ/м, использованного при изготовлении опытной партии
электродвигателей новой конструкции на предприятии
ЗАО «Уралэлектромаш». Основные результаты работы применены при
разработке опытно-промышленной технологии производства радиационно-
стойкого нитридного неорганического покрытия проводникового материала
для высоконадежных пожаробезопасных электромеханических
преобразователей на предприятии ОАО «СвердНИИхиммаш». Полученные в работе результаты используются в качестве исходных данных для технического задания на проектирование высокопроизводительной опытно-промышленной установки для получения нитрида алюминия на предприятии ОАО «СвердНИИхиммаш».
Личный вклад автора. В основу диссертации положены результаты исследований, выполненных непосредственно автором или при его личном участии. Автору принадлежат выбор целей работы, постановка задач, экспериментальные исследования, систематизация и обсуждение результатов, прикладные результаты и их дальнейшее внедрение.
Апробация работы. Диссертационная работа и отдельные ее части обсуждались на Второй Всероссийской научно-практической конференции «Фторидные технологии» (ТПУ, г. Томск, 25-26 ноября 2011 г.), IV Всероссийской конференции по химической технологии с международным участием «XT'12» (г. Москва, 18-23 марта 2012 г.), XXII Всероссийской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (УрФУ, г. Екатеринбург, 25-27 апреля 2012 г.), XI Международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы и нанотехнологии» (СевКавГТУ, г. Ставрополь, 22-27 апреля 2012 г.), II Всероссийской молодежной конференции «Химия и технология новых веществ и материалов» (г. Сыктывкар, 14-16 мая, 2012 г.), XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий (МСНТ, г. Миасс, 4-6 июня 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 научная работа, в которых отражены основные положения диссертации, в том числе 10 работ, опубликовано в зарубежных и ведущих отечественных рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК. Получен 1 патент.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 44 рисунка, 26 таблиц и список использованных источников из 162 наименований.
Определение кинетических параметров
Изучение кинетики процесса получения нитрида алюминия заключалось в выявлении влияния на скорость процесса следующих параметров: температуры, стехиометрического соотношения исходных компонентов, давления и скорости газового потока.
Величина энергии активации является, как правило, одним из основных параметров для трактовки механизма процесса. Все это и обуславливает необходимость использования корректной методики оценки энергии активации. Известно [95], что энергия активации может быть легко определена по наклону прямой Аррениуса на графике lgk = f(l/T), или в интегральной форме: WWW) (21)
\ITY-\IT2 когда известна константа скорости реакции к при нескольких температурах. Однако для вычисления константы скорости необходимо знать вид кинетического уравнения, т.е. порядок реакции по исходным реагентам. В нашем случае, когда участвуют, как правило, два или три реагента (многокомпонентная система), установить эту зависимость не всегда удается. Поэтому предпочитают определять энергию активации по температурной зависимости скорости (например, осаждения скорости конечного продукта), а не по значению константы скорости этого процесса. Корректная оценка энергии активации основана в этом случае на следующих необходимых условиях:
1) для изучаемых температур соотношение реагентов исходной смеси должно быть постоянным;
2) значения скоростей реакции должны определяться при одной и той же стадии процесса, так как по ходу реакции, наблюдается изменение концентрации, а следовательно, и скорости реакции;
Для проточных реакторов, в которых реакция протекает при постоянном давлении, но с изменением объема, наиболее просто изучать кинетику реакции и определять энергию активации, анализируя изменение степени превращения реагента х при различных скоростях подачи реагента в реактор.
Общие уравнения кинетики химических процессов можно получить, как это показано Г.М. Панченковым [96], пользуясь методом гидродинамики. Этот метод интересен и важен потому, что позволяет рассчитать как стационарные, так и нестационарные процессы. В проточных условиях: где f(xO - функция степени превращения, отвечающей данной кинетической зависимости; х - степень превращения, соответствующая данной объемной скорости потока . Поэтому при температурах Ті и Т2 имеем: x соответствующие достижению одной и той же степени превращения. Если кинетическая зависимость в интервале Т1-Т2 сохраняется, то знаменатели в этих уравнениях равны и v(T1 ) kT1 ()x = . (2.5) v(T2 ) kT2 Отметив на графике величину степеней превращения при разных температурах против обратной или объемной скорости потока, можно получить семейство кривых. При пересечении этих кривых секущей, параллельной оси абсцисс, находим точки, отвечающие одинаковой степени превращения при разных температурах и соответствующие им величины 1/x, или x. Нанося на график Аррениуса величины найденных таким образом lgx и 1/Т, получим прямые, наклон которых позволяет вычислить величину Е:
Описанный путь определения Е не требует знания кинетического уравнения и неограничен малыми степенями превращения. Выводы к главе 2
1) В работе используются гостированные или общепринятые методы исследования физико-химических свойств материалов.
2) Выбранные методики позволяют полностью исследовать все необходимые процессы в технологии получения нитрида алюминия пирохимическим способом. Термодинамический анализ пирохимической технологии получения нитрида алюминия
На основании термодинамических расчетов равновесных составов многофазных, многокомпонентных систем можно получить следующие сведения о процессе:
1) являются ли полученные в реакторах целевые продукты равновесными или они образуются в данных условиях лишь на промежуточных стадиях сложного механизма химического превращения;
2) если целевые продукты равновесны, то можно определить оптимальные параметры, при которых процесс протекает наиболее эффективно;
3) для равновесных систем можно рассчитывать основные технологические показатели соответствующего процесса, такие, как степени превращения, энергозатраты на получение продукта и т.д., а также термодинамические свойства конечных продуктов (теплоемкость, полную энтальпию смеси и др.).
4) если целевые компоненты в равновесном составе отсутствуют или находятся в незначительном количестве (накопление продукта происходит кинетически на промежуточных стадиях процесса), то в ряде случаев на основании данных о равновесном составе можно предсказать пути подавления образования побочных продуктов.
5) результаты термодинамического анализа могут позволить в некоторых случаях предположить возможный механизм процесса, а также оценить оптимальный профиль температур в реакторе. Поэтому термодинамический анализ химических реакций в процессе получения нитрида алюминия пирохимическим способом, включая изучение возможных взаимодействий в системе «газ-газ», «газ-твердое», «газ-жидкое», «жидкое-твердое», рассматривается в данной работе, как метод, позволяющий оценить наиболее вероятные химические превращения, что способствует выяснению механизма процесса. Для термодинамического обоснования и анализа процесса получения нитрида алюминия необходимо рассчитывать термодинамические величины в стандартных условиях, а также учитывать парциальные давления всех компонентов системы. В работе использована программа «HSC Chemistry 7», позволяющая рассчитывать термодинамические величины в стандартных условиях. Программа позволяет учитывать фазообразование предельно большого количества твёрдых, жидких и газообразных фаз в результате термических превращений, выбранной фазовой смеси с учётом термодинамической вероятности процессов плавления, испарения образования нитридных, фторидных, оксидных, металлических продуктов всеми компонентами смеси.
Особенности аппаратурного оформления для исследования процесса получения нитрида алюминия газофазным способом
В основе газофазного способа получения нитрида алюминия лежит перевод алюминия в газовую фазу в виде паров металла, его сплавов, неорганических или органических соединений с последующим взаимодействием с азотсодержащим компонентом [114-117]. Природа реагирующих веществ, их особенности поведения и, наконец, свойства продуктов реакции определяет аппаратурное оформление процесса, выбор конструкционных и функциональных материалов.
Большинство исследователей стремятся организовать пирохимический процесс при наиболее низкой температуре, что определяет использование хлористых солей алюминия или органических соединений, содержащих алюминий [118-120]. Однако использование алюминия в качестве исходного реагента требует особых мер предосторожности, как в условиях хранения, так и в технологических процессах.
Применение субсоединений одновалентного алюминия, например, в соединении с селеном (Al2Se) [121], позволяет также проводить процесс при низких температурах, но возникают вопросы получения химически чистого продукта. Появляется необходимость введения дополнительных стадий, как при использовании хлористых солей алюминия, так и селенида алюминия.
Закономерно стремление исследователей использовать более реакционноспособные газовые азотсодержащие компоненты, в частности, аммиак. Достаточно низкая температура разложения аммиака предусматривает использование аппаратуры, работающей под давлением, либо резкое увеличение расхода газа. Нельзя забывать также повышенные требования к аппаратуре по технике безопасности.
Особые требования предъявляются к функциональным и конструкционным материалам, которые обеспечивают работоспособность оборудования и требуемое качество конечного продукта. Желательна футеровка оборудования нитридом алюминия, но вряд ли это возможно в реальных условиях, учитывая сложность изготовления деталей различной геометрической формы из такого твердого, хрупкого и высокотемпературного материал, каким является нитрид алюминия.
В качестве процесса, подходящего для осуществления промышленной технологии выбран пирохимический способ получения AlN из фторидов алюминия. Процесс основан на следующих химических реакциях: Как видно из уравнений реакций, в системе одновременно присутствуют три фазы, поэтому возможны такие химические взаимодействия, как: газ-твердое, газ-жидкое, жидкое-твердое, газ-газ но по сути основного химического превращения процесс является газофазным, т.к. образование нитрида алюминия происходит именно в газовой фазе. Выбор данного способа для реализации промышленной технологии получения дисперсного нитрида алюминия определяется следующими потенциальными преимуществами: а) Расходование в процессе синтеза только двух сырьевых материалов: металлического алюминия и газообразного азота. Трифторид алюминия используется для осуществления транспортной реакции – образования и переноса AlF в зону, где происходит взаимодействие с N2. При этом AlF3 не расходуется, а извлекается из смеси конечных материалов и применяется снова. Учитываются только технологические потери вещества. б) Возможность использования в качестве исходных реагентов - доступных и широко применяемых в цветной металлургии Al и AlF3, простых в обращении и не требующих специальных условий хранения; в) Относительно невысокие температуры процесса. Реакция образования монофторида алюминия и его взаимодействие с азотом с получением AlN возможны при температурах от 1100 до 1200 С. [122-124]; г) Возможность осуществления основной технологической стадии – получения AlN при общем атмосферном давлении в системе, что позволит упростить аппаратное оснащение и повысить энергоэффективность технологии. В процессе разработки пирохимической технологии получения нитрида алюминия, для исследования основных параметров процесса в лабораторных и опытно-промышленных условиях, на кафедре «Редкие металлы и наноматериалы» были созданы и экспериментально опробованы следующие конструкции установок:
1) На рисунке 4.1 приведена блок-схема лабораторной установки для изучения процесса получения нитрида алюминия газофазным способом. Металлический алюминий (1) при повышенной температуре в реакторе (2) взаимодействует с газообразным трифторидом алюминия, подаваемым по каналу (3). В результате взаимодействия образуется монофторид алюминия. Через канал (4) вводят газообразный азот для реакции с монофторидом с образованием нитрида алюминия. Далее порошкообразный AlN и газообразный AlF3 по каналу (5) отводится в зону разделения (6). Газообразный трифторид отводят в конденсационный сосуд (7) и собирают в приемнике (8) для повторного На основе данных, полученных с помощью данной конструкции установки, выявлена возможность осуществления процесса по выбранному механизму. 2) После этого была создана опытно-промышленная установка с раздельными камерами для осуществления последовательного взаимодействия исходных материалов, схематически изображенная на рисунке 4.2 [125]. Образующийся в камере 1, газообразный фторид алюминия переносится в камеру 2, где взаимодействует с расплавленным алюминием с образованием монофторида алюминия, после чего в камере 3 образовавшийся монофторид взаимодействует с азотсодержащим газом с образованием нитрида алюминия.
Низкотемпературный метод выделения нитрида алюминия из продуктов взаимодействия
Для осуществления экспериментов по разделению экспериментальной смеси порошков AlN и AlF3, была разработана следующая методика:
1) приготовление разделительного раствора – путем растворения 1 части йодоформа в 3 частях бромоформа для достижения плотности жидкости не менее 2,93 г/см3;
2) приготовление экспериментальной механической смеси порошков путем механического смешения AlN и AlF3 (соотношение 1:1, общая масса – 1,00 г);
3) в пробирку наливается разделительный раствор. В него засыпается смесь порошков AlN и AlF3;
4) система выдерживается в течение заданного времени, при этом AlN оседает на дно, а AlF3 остается на поверхности;
5) поверхностный слой разделительного раствора с порошком меньшей плотности сливается в отдельную емкость, промывается спиртом, высушивается при комнатной температуре;
6) осадок отфильтровывается, также промывается спиртом и высушивается при комнатной температуре;
7) полученные порошки взвешиваются и исследуются с помощью качественного и количественного рентгенофазового анализа.
Истинную плотность исходных и полученных порошков определяли пикнометрическим методом согласно ГОСТ 2211.
Взвешивание навесок проб, материалов для приготовления стандартных растворов, осадков проводили на лабораторных весах общего назначения по ГОСТ 24104-88 2-го класса точности с наибольшим пределом взвешивания 200 г или на других весах, отвечающих указанным требованиям по своим метрологическим характеристикам.
Промывку порошков осуществляли с помощью технического этилового спирта, нормированного по ГОСТ 18300-87.
Сушку образцов производили в течение суток при комнатной температуре (23–27 С), а затем в течение 2 часов при температуре 110 С в сушильном шкафу по ГОСТ 7365-55.
Диспергирование и деагрегация порошкообразных материалов в жидкостях осуществлялось с помощью ультразвуковой ванны УЗВ-13-150-МП-РЭЛТЕК с объемом камеры 13,5 литров, оснащенной пьезокерамическим преобразователем, встроенным генератором мощностью 285±75 Вт, автоматическим устройством для подогрева жидкости и таймером. Система, состоящая из частиц порошкообразных материалов, находящихся в органической среде в стеклянном сосуде погружалась в ультразвуковую ванну и выдерживалась в ультразвуковом излучении определенной мощности в течение фиксированного времени. При этом происходило диспергирование и деагрегация частиц порошкообразных материалов в органической среде. Более подробно методики применения ультразвуковых установок в химико-технологических процесса описаны в источнике [129].
Навески порошков между технологическими операциями помещались на хранение в герметичный эксикатор по ГОСТ 6371-73.
Лабораторная посуда и приборы (пипетки, бюретки, мерные колбы, тигли, лодочки, чашки и др.) - по ГОСТ 1770-74, ГОСТ 20292,-74, ГОСТ 25336-82, ГОСТ 9147-88 и ГОСТ 6563-75.
Обеспечение требований безопасности труда - по ГОСТ 12.1.007-76 и нормативно-технической документации.
Как упоминалось ранее, при осуществлении процесса без разделения реакционных зон, непрерывная фторидная технология получения нитрида алюминия предусматривает наличие двух последовательных стадий. На первом этапе осуществляется получение продукта, где содержится нитрид алюминия и трифторид алюминия. На последующей стадии требуется разделение AlN и AlF3 c получением нитрида алюминия требуемого состава и крупности частиц. Сегодня этот процесс производится за счет сублимации AlF3 в вакууме, при температуре 12000С, что требует наличия специализированного оборудования и высоких энергозатрат. Также получаемый после разделения наноразмерный AlN агломерирует, образуя частицы крупностью 1-10 мкм [130].
Поэтому еще одним вариантом совершенствования технологии является разработка низкотемпературного метода разделения AlN и AlF3, позволяющего избежать отмеченных недостатков. Из существующих методов разделения тонкодисперсных порошков с разницей в плотности менее 1,0 г/см3 [131-133] в настоящей работе рассматривается возможность седиментационного способа разделения в органической среде с плотностью большей, чем у AlF3 и меньшей, чем у AlN. Для проверки возможности разделения смеси порошков низкотемпературным способом опыты проводились на экспериментальной смеси порошков нитрида алюминия и фторида алюминия с известными характеристиками. Для эксперимента был взят чистый нитрид алюминия, полученный газофазным способом. Трифторид алюминия (ГОСТ 19181-78, 1/с) перед приготовлением смеси порошков был предварительно отогнан от примесей при температуре 1200 С в вакууме. Экспериментально измерены плотности порошков пикнометрическим способом. Результаты экспериментов по определению плотностей порошков AlN и AlF3 приведены в таблице 4.6. В качестве несмешивающейся жидкости использовался этиловый спирт. Объем применяемого пикнометра составлял 25 мл. Эксперименты проводились при комнатной температуре (23 С).
Практическое использование
Нитрид алюминия благодаря своим ценным физико-химическим характеристикам широко применяют в технике высоких температур в качестве огнеупорного и электроизоляционного материала. Из него изготавливают электроизоляционную соломку для термопар и электроизоляционные конструкционные детали, работающие в агрессивных средах. Высокая огнеупорность AlN и его химическая стойкость позволяют использовать его для футеровки электролизеров, ванн, резервуаров, тиглей для получения расплавленных алюминия, олова, галлия, расплавленного стекла и борного ангидрида при 1300-2000 С [150].
Нитрид алюминия применяют для создания композиционных материалов. При добавлении AlN в полимерную матрицу улучшаются физико-химические и физико-механические характеристики композиционного материала, такие как теплопроводность, электросопротивление, стойкость к износу и т. д. [151]. Нитрид алюминия, используется в качестве добавки при изготовлении медной краски с высокими теплопроводностью и коррозионной стойкостью [152]. Пленки из AlN применяют в микроэлектронике при изготовлении микромодулей [153], интегральных схем, а также в качестве активных элементов [154-156]. Благодаря высокой коррозионной стойкости к расплавленным солевым средам покрытия из AlN применяются в ядерной индустрии [157].
Нитрид алюминия добавляют (30 мас. %) к никелю или алюминию [158]; при этом наблюдаются снижение ТКЛР, термических напряжений и увеличение микротвердости и плотности. Образцы обладают лишь закрытой пористостью, а зерна матрицы (в частности, никеля) при спекании почти не увеличиваются.
Совместно с нитридом титана AlN используется для покрытия стали, работающей в агрессивных средах, таких как водный пар при 600 С, хлорид натрия и др. Наилучшие характеристики, а именно адгезия и микротвердость, были получены при использовании модификации (Ti0,6Al0,4)N. В таком соотношении коррозия при температуре выше 800 С и выдержке в течение 10 ч не наблюдалась [159].
Алюмонитридная керамика используется в нагревательных элементах, терморезисторах, подложках чипов, изоляторах, конденсаторах, термисторах, солнечных батареях [160, 161]. В последнее время AlN используется в металлургии, т.к. он обладает высокой стойкостью к жидким металлам (Al, Cu, Li, U) и сплавам железа и никеля [162].
Нитрид алюминия, получаемый по усовершенствованной технологии, планируется применять в производстве теплопроводных электроизоляционных композиционных материалов в качестве наполнителя и модификатора органических и неорганических матриц. Теплопроводность полученного в настоящей работе нитрида алюминия (76 Кт/мК, 64 Вт/мК), а также размер (50-1000 нм) и форма частиц (сферическая и игольчатая) удовлетворяет требованиям данной области применения.
При этом важнейшим преимуществом, помимо характеристик порошка, получаемого по усовершенствованной технологии, является его себестоимость. Усовершенствованная технология получения нитрида алюминия является экономически выгодной, поскольку затраты, в наиболее значительной степени влияющие на себестоимость AlN – стоимость исходных реагентов и затраты на электроэнергию – сведены к минимуму за счет использования распространенных и доступных исходных материалов – Al, AlF3 и N2, а также за счет осуществления непрерывного одностадийного процесса получения AlN с высокой скоростью при атмосферном давлении. По предварительным расчетам экономических показателей усовершенствованной технологии, себестоимость 1 кг нитрида алюминия при объеме производства до 2,5 т/мес составит около 1200 руб. Учитывая, что цена AlN на рынке в настоящий момент колеблется в диапазоне от 3500 руб/кг до 12 000 руб/кг, эта технология является очень перспективной для внедрения в промышленном масштабе.
Применение порошков нитрида алюминия, полученных по усовершенствованной газофторидной технологии уже сегодня производит достаточно высокий народнохозяйственный экономический эффект, поскольку используется при изготовлении электроизоляционных теплопроводных композиционных материалов, которые повышают КПД и срок службы изделий электромашиностроительной отрасли.
1) В настоящей главе рассмотрен механизм процесса образования нитрида алюминия, а также предложены технологические операции для его осуществления.
2) Предложена технологическая схема непрерывного получения нитрида алюминия по усовершенствованному фторидному способу, объединяющая все данные, полученные в процессе выполнения настоящей диссертационной работы и позволяющая получать дисперсный нитрид алюминия сферической и игольчатой формы частиц размером от 50 до 1000 нм
3) Рассмотрены возможные применения нитрида алюминия в различных отраслях промышленности, дана предварительная экономическая оценка способа и выделено целевое применение нитрида алюминия, получаемого по усовершенствованной фторидной технологии - в производстве теплопроводных электроизоляционных композиционных материалов в качестве наполнителя и модификатора органических и неорганических матриц.
