Ударно-волновой синтез и исследование свойств кубического нитрида кремния

• Автор: Юношев, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 89 с. : ил.

Аннотация
1. Введение
1.1. Динамический синтез
1.2. Статические аппараты высокого давления
1.3. Кубический нитрид кремния
1.4. Цель работы
2. Синтез и выделение кубического нитрида кремния
2.1. Ударно-волновой синтез
2.1.1. Плоские ампулы сохранения
2.1.2. Плоские ампулы сохранения с динамической поддержкой
2.1.3. Цилиндрические ампулы сохранения.
2.2. Исходный материал
2.3. Нагружение
2.3.1. Нагружение порошка
2.3.2. Нагружение компактов
2.3.3. Нагружение с воздухом
2.3.4. Синтез в цилиндрической ампуле сохранения.
2.4. Структура синтезируемого материала.
2.5. Химическая очистка
2.6. Выводы к главе
3. Определение параметров ударно-волнового синтеза
3.1. Соотношения на фронте ударной волны
3.2. Ударная адиабата смеси
3.3. ХТ-диаграмма
3.4. Параметры синтеза кубического нитрида кремния
3.5. Скин-модель для расчёта параметров нагружения смеси
3.6. Механизм фазового превращения р^з^—»с^з^
3.7. Оптимизация условий синтеза
3.8. Выводы к главе
4. Кубический нитрид кремния
4.1. Структура с^з^
4.2. Термические свойства с^з^
4.2.1. Порошковая дифрактометрия при повышенных температурах
4.2.2. Термическая стабильность
4.2.3. Коэффициент линейного термического расширения
4.3. Исследование компактных образцов
4.3.1. Динамическое компактирование
4.3.2. Изостатическое спекание под давлением
4.3.3. Измерение твёрдости
4.4. Выводы к главе
Заключение
Список работ по теме диссертации
Благодарности
Список цитируемой литературы

Аннотация
Работа связана с применением взрывных методов нагружения для синтеза фазы высокого давления нитрида кремния с^з^ в количестве достаточном для изучения его основных физико-химических свойств. Интерес к материалу обусловлен тем, что данное вещество может пополнить число известных сверхтвёрдых материалов.
С использованием новых методов сохранения пористых образцов при ударноволновом нагружении синтезирован кубический нитрид кремния, в том числе, впервые, с использованием цилиндрических ампул сохранения. Данные методы позволили выполнить наработку продукта, содержащего до 50 массовых процентов с^зЫд, в количестве более двух граммов за эксперимент. Динамический синтез позволяет получать кубический нитрид кремния в виде нанодисперсного порошка с размером кристаллической фазы 10+20 нм.
Исследован фазовый состав продукта синтеза, на основании чего выдвинуто и обосновано предположение о кристаллизации с^з^ из расплава нитрида кремния за фронтом ударной волны. Это позволило определить оптимальные условия синтеза нового материала.
Определена температурная стабильность полученного материала, измерен его коэффициент линейного термического расширения вплоть до температуры обратного перехода с-81зЫ4—»р^з^. Показано, что свойства материала, синтезированного динамическим методом, близки свойствам вещества, синтезированного в алмазных наковальнях статическим методом.
Впервые получены объемные высокоплотные образцы из синтезированного в ударных волнах нанодисперсного продукта, содержащего с^зЫ* По измеренному значению твердости материал занимает третье-четвертое место среди известных материалов.
Полученные результаты позволяют утверждать, что кубический нитрид кремния является перспективным материалом с высокими значениями термической стабильности и твёрдости.
1. Введение
Изучение влияния ударных волн на вещество привлекает внимание исследователей на протяжении последних пятидесяти лет [1]. За фронтом ударной волны увеличивается не только давление, но значительно возрастает температура вещества, действуют интенсивные сдвиговые напряжения, и происходит интенсивное перемешивание. Ударная волна оказывает не только разрушающее, дробящее действие, но может использоваться для прессования порошковых материалов, очищения и активации поверхности структурных составляющих, что способствует протеканию химических реакций за времена существенно меньшие,- по сравнению с воздействием высокого статического давления.
Одно из наиболее интересных применений техники ударных волн связано с фазовыми превращениями, происходящими в веществе за времена нагружения порядка 1 мкс, что, по меньшей мере, на 8 порядков меньше времени, характерного для статических методов нагружения. Существенным преимуществом техники ударных волн является большой объем нагружаемого образца - единицы кубических сантиметров, в то время как при давлениях более 10 ГПа для статических методов характерной величиной является кубический миллиметр.
Для синтеза фаз высокого давления используются как статические, так и динамические методы получения высоких давлений.
1.1. Динамический синтез
Ударная волна (УВ) обладает уникальной особенностью, создавать в материале
одновременно высокие давления и температуры. Благодаря этому, после нагружения веществ в их структуре наблюдаются изменения. Они связаны с влиянием следующих параметров: большим давлением в УВ, большой температурой в УВ, большой остаточной температурой, интенсивными деформациями. Структурные изменения, происходящие в ударной волне, фиксируются при измерении ударной адиабаты материалов. Впервые это отмечено при исследовании ударной сжимаемости железа [2]. Ударная адиабата железа испытывает излом выше 13 ГПа, связанный с резким уменьшением объёма при фазовом превращении. Позже подобные

№ 5+8 неравновесная температура на границе медных частиц может значительно превышать равновесную, которая реализуется при отводе тепла внутрь медных частиц. Это приводит к плавлению нитрида кремния с последующей закалкой жидкой фазы с образованием аморфного нитрида кремния. В это же время в жидкой фазе происходит образование и рост зародышей кубического нитрида кремния. Всё это происходит до прихода волны разрежения. Таким образом, при синтезе с-513Ы4 из смеси с добавлением металлических порошков, вероятным механизмом
фазового перехода, также как и в статике, остаётся переход с образованием жидкой промежуточной фазы.
Остаётся разобраться с результатами экспериментов табл. 1 № 1, 2, 4 и 9. В ампулах сохранения при нагружении чистого р^з^ не зафиксировано синтеза кубической фазы или её выход очень мал (табл. 1 № 9), хотя равновесные параметры нагружения превосходят статические и близки к параметрам нагружения Р-Б^Мд в смеси с медью. Можно было бы предположить, что это вызвано отсутствием пика температуры, аналогичного показанному на рис. 22, поскольку микронные частицы успевают прогреться полностью во фронте ударной волны. То есть малая скорость превращения вызвана небольшим содержанием необходимой жидкой промежуточной фазы. Это предположение ставится под сомнение результатами построения ударной адиабаты плотного спеченного образца р^з^ и соответствующими оценками температуры ударного сжатия [28]. Так фазовый переход в плотном образце р^з^ начинается при давлении 36 ГПа и температуре 460 К, что явно недостаточно для плавления нитрида кремния. В тоже время в экспериментах табл. 1 № 1, 2 температуры и давления выше значит, фазовый переход при нагружении имел место, но кубическая фаза не сохранилась. Каким образом осуществляется фазовое превращение в плотном образце р^з^ и почему не наблюдается с^з^ в сохранённых продуктах? Мартенситный переход не рассматриваем, поскольку ему противоречит данным статических экспериментов, а также из-за большей зависимости скорости превращения от температуры, чем от давления, что наблюдается в ударно-волновых экспериментах. Особенно это видно на примере построенной