Самораспространяющийся высокотемпературный синтез композиций на основе нитридов кремния, алюминия и бора с применением азида натрия и галоидных солей

• Автор: Космачёва, Надежда Валентиновна
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 245 с. : ил.

• СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Химическая связь и кристаллическая структура

порошков Х1з./У4, АШ и BN

1.1.1. Химическая связь и кристаллическая структура

нитрида кремния

• 1.1.2. Химическая связь и кристаллическая структура

нитрида алюминия

1.1.3. Химическая связь и кристаллическая структура

нитрида бора

1.2. Физико-химические и эксплуатационные свойства

нитридов и композиций £|УГ4-Л#У, SiзN4-BN и AlN-BN
1.2.1. Физико-химические и эксплуатационные свойства
порошка нитрида кремния
Ф 1.2.2. Физико-химические и эксплуатационные свойства
порошка нитрида алюминия
1.2.3. Физико-химические и эксплуатационные свойства
порошка нитрида бора
1.2.4. Физико-химические и эксплуатационные свойства нитридных композиций ЛУУгЛ/УУ, Si3N4-BN и АШ-В1V
1.3. Технологические процессы получения нитридов
и нитридных композиций &з^4-АШ, 5*УУ4-ДЛУ и AlN-BN
• 1.3.1. Синтез в электропечах сопротивления
1.3.2. Плазмохимический синтез
1.3.3. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез
1.4. Перспективы использования твердых азотсодержащих соединений в процессах СВС для синтеза нитридных
композиций АуУ-AlN, ХгуУ4-вЛг и АШ-ВМ
1.5. Области применения композиций ЛУУтЛ/УУ, Хг3ЛГ4-ВАГ и АШ-ВИ
4 1.6. Выводы
Глава 2. Выбор методик, оборудования, условий синтеза и систем
для исследования
2.1. Методика, приборы, оборудование и сырье,
предназначенные для исследований
2.2. Обоснование выбора исследуемых систем
2.3. Выбор технологических параметров, влияющих
Ф на процесс синтеза нитридных композиций
2.6. Выводы
Глава 3. Термодинамический анализ образования
нитридных композиций в режиме СВС-Аз
3.1. Композиция ХгУУ4-Л/ТУ
3.2. Композиция Х13УУ4-51У
3.3. Композиция АШ-ВИ

^ 3.4. Выбор оптимального содержания азотируемого элемента
при условии равновесия системы
3.5. Выводы
Глава 4. Экспериментальная часть
4.1. Закономерности горения азидных систем
и синтеза нитридных композиций
4.1.1. Композиция "Нитрид кремния - нитрид алюминия"
4.1.2. Композиция "Нитрид кремния - нитрид бора"
• 4.1.3. Композиция "Нитрид алюминия-нитрид бора"
4.2. Химическая модель и структурообразование
нитридных композиций в режиме СВС-Аз
4.2.1. Химическая стадийность образования
нитридных композиций в режиме СВС-Аз
4.2.2. Структурообразование
нитридных композиций в режиме СВС-Аз
4.2.3. Химическая модель образования
^ нитридных композиций в режиме СВС-Аз
4.3. Исследование процесса и условий получения порошка
нитрида кремния а-модификации в нитридных композициях
4.4. Характеристика порошков нитридных композиций
и керамики на их основе
4.4.1. Порошки нитридных композиций марки СВС-Аз
4.4.2. Керамика на основе композиций марки СВС-Аз
4.5. Технологический процесс СВС-Аз нитридных композиций
4.6. Выводы
Основные выводы
Список использованных источников
Приложение

В настоящее время в мире науки и техники все больший интерес проявляется к тугоплавким бескислородным неорганическим материалам, являющихся перспективной основой для создания деталей и изделий различного целевого назначения. 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. В последнее десятилетие в ряде областей машиностроения все шире применяются конструкционные материалы на основе неметаллических тугоплавких соединений, как правило, нитридов. Сочетание высокой механической прочности, износо- и термостойкости с невысокой плотностью и стабильностью свойств в широком интервале температур позволяет использовать нитридную керамику в ответственных узлах трения, включая опоры скольжения, которые подвергаются интенсивному статическому и динамическому нагружению, а также высокотемпературному воздействию [57,58].
Керамика на основе композиций Si^N^-AlN, Si^N^-BN и AIN-BN обладает такими уникальными свойствами, как высокая твердость, прочность, термическая и химическая стойкость, низкая адгезионная способность.
В литературных источниках практически не описывается технологический процесс синтеза керамических нитридных композиций в одну стадию. Процесс получения композиций сводится в основном к синтезу каждого по отдельности нитридов с последующим смешиванием их в композиционную смесь [59]. Поэтому в литературном обзоре диссертационной работы, в основном, будут описаны технологические процессы синтеза &УУ4, AIN и BN отдельности.
В настоящее время существуют две традиционных технологии получения нитридов, нашедших применение в промышленности. Это печной способ (ПС) и плазмохимический синтез (ПХС). Основными недостатками этих технологий
получения однофазных продуктов и, в частности, нитрида алюминия, при низком давлении необходим фильтрационный подвод азота в зону реакции. В связи с этим необходимо смягчение режима горения [53,148]: понижение скорости и температуры горения, сохранение пористости образца в процессе горения и др. Наиболее эффективный способ смягчения режима горения и получения при этом высокоазо-тированных продуктов - разбавление исходных металлов одноименным нитридом и уменьшение загружаемой шихты в реактор [15,52,155]. Однако разбавление исходного алюминия одноименным нитридом и уменьшение веса шихты приводит к снижению производительности процесса. Кроме того, продукт горения после синтеза требует измельчения и часто потенциальные возможности СВ С способа в плане получения высокочистых продуктов сводятся на нет [2].
Состав нитрида алюминия, синтезированного в режиме классического СВС: азот - 32,5-33,0 мас.%; кислород - менее 1,2 мас.%; железо - 0,06 мас.%; углерод ~ 0,004 мас.%; удельная поверхность - 2-3 м2/г; теплопроводность -100-200 Вт/мхК; плотность - 3,22 г/см3.
Синтез порошка нитрида бора
В полупромышленных установках реализуется самораспространяющийся высокотемпературный синтез порошка нитрида бора. Порошок аморфного бора воспламеняют в герметичном водоохлаждаемом реакторе СВС в атмосфере азота под давлением 5-15МПа. После прохождения волны горения синтезированный нитрид бора выдерживают под давлением азота до полного охлаждения реактора. В зоне горения развивается очень высокая температура, расчетное значение которой составляет 3700 К [3,31,133]. Для снижения температуры горения и повышения газопроницаемости в состав шихты вводят до 50 мас.% нитрида бора. В этих условиях обеспечивается высокая скорость реакции азотирования и полнота ее прохождения. Выход нитрида бора составляет 97 мас.%.
Технология получения нитрида бора методом СВС из аморфного бора в 1980 году внедрена в опытно-промышленном масштабе на Запорожском абразивном комбинате. Однако невысокая чистота и высокая стоимость аморфного бора про-