Исследование возможности получения микрои нанопорошка нитридной композиции TiN-BN в системе «Галогенид титана азид натрия галогенид бора» по азидной технологии СВС Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Шиганова Людмила Александровна, Бичуров Георгий Владимирович, Керсон Ирина Александровна

Синтез порошков нитридов и композиций на их основе в микрои наноразмерном состоянии и высокого качества на сегодняшний день является актуальной задачей. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз) позволяет получать композиционные порошки, обладающие нужными свойствами, всего в одну стадию, без операции смешивания отдельно полученных порошков нитридов. Использование комплексной галоидной соли азотируемого элемента позволяет получать конечный продукт в виде ультрадисперсного (100-500 нм) и наноразмерного (менее 100 нм) порошка нитрида этого элемента. В процессе исследований установлено, что нитридные композиции на основе TiN и BN могут образовываться в системах, состоящих из азида натрия , галогенида титана и галогенида бора. Результаты исследований морфологии и размера частиц, гранулометрического состава конечного продукта, синтезированного при различном соотношении компонентов в исследуемых системах говорят о том, что конечный продукт представляет собой нанои ультрадисперсный порошок, состоящий из отдельных гранул (агломератов) нитрида титана TiN и нитрида бора BN, а также небольшого количества побочных продуктов борида титана TiB и гексафтортитаната натрия Nа 3TiF 6.

STUDY OF POSSIBILITY OF OBTAINING MICRO AND NANOPOWDER OF NITRIDE COMPOSITION TiN-BN IN TITANIUM HALIDE SODIUM AZIDE BORON HALIDE SYSTEM BY SHS AZIDE TECHNOLOGY

Synthesis of powders of nitrides and compositions on their basis in micro and nanoscale condition and high quality today is an important task. Azide technology of self-propagating high-temperature synthesis (SHS-Az) allows to obtain a composite powder having the desired properties, all in one stage, without the blending operation separately obtained powders of nitrides. The use of complex halide salt of an element to be nitrided allows to obtain a final product in the form of micro and nano-sized powder of a nitride of the element. Studies found that nitride composition based on TiN and BN can be formed in systems consisting of sodium azide , titanium halide and boron halide . Studies on the morphology and particle size of the final product synthesized at different ratio of components in the studied systems suggests that the final product is a nano and microstructured powder consisting of individual granules (agglomerates) of titanium nitride TiN and boron nitride BN, and small quantities of by-products boride titanium TiB and hexafluoride of sodium Nа 3TiF 6.

Текст научной работы на тему «Исследование возможности получения микрои нанопорошка нитридной композиции TiN-BN в системе «Галогенид титана азид натрия галогенид бора» по азидной технологии СВС»

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРО- И НАНОПОРОШКА НИТРИДНОЙ КОМПОЗИЦИИ TiN-BN В СИСТЕМЕ «ГАЛОГЕНИД ТИТАНА - АЗИД НАТРИЯ - ГАЛОГЕНИД БОРА» ПО АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС

Синтез порошков нитридов и композиций на их основе в микро- и наноразмерном состоянии и высокого качества на сегодняшний день является актуальной задачей. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз) позволяет получать композиционные порошки, обладающие нужными свойствами, всего в одну стадию, без операции смешивания отдельно полученных порошков нитридов. Использование комплексной галоидной соли азотируемого элемента позволяет получать конечный продукт в виде ультрадисперсного (100-500 нм) и наноразмерного (менее 100 нм) порошка нитрида этого элемента. В процессе исследований установлено, что нитридные композиции на основе Т1Ы и БЫ могут образовываться в системах, состоящих из азида натрия, галогенида титана и галогенида бора. Результаты исследований морфологии и размера частиц, гранулометрического состава конечного продукта, синтезированного при различном соотношении компонентов в исследуемых системах говорят о том, что конечный продукт представляет собой нано- и ультрадисперсный порошок, состоящий из отдельных гранул (агломератов) нитрида титана Т1Ы и нитрида бора БЫ, а также небольшого количества побочных продуктов - борида титана Т1Б и гексафтортитаната натрия №3Т1Р6

Ключевые слова: нитрид титана, нитрид бора, нитридная композиция, азид натрия, галогенид, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, микро- и нанопорошок.

Современный уровень технологического и промышленного развития машиностроения, характеризующийся качественным повышением интенсивности эксплуатационных режимов машин и оборудования, предполагает ускорение темпов расширения производства композиционных порошковых материалов, изделий и покрытий, в которых обеспечение оптимально эффективных свойств достигается наличием в структуре фаз со взаимодополняющими комплексами физико-химических и физико-механических свойств. Производство порошковых композиций с оптимальными комплексом свойств предполагает развитие технологических процессов нового уровня, основными чертами которых являются ограниченное количество основных операций, обеспечивающих полный переход исходных материалов в целевой продукт (безотходность) с их глубоким переделом, при котором происходят радикальные изменения структуры и свойств

Шиганова Людмила Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры "Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы".E-mail: lou84@rambler.ru Бичуров Георгий Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы», проректор по вечернему и заочному обучению E-mail: shs@samgtu.ru Керсон Ирина Александровна, магистрант 2 курса ФТФ. E-mail: rafkalimullin@yandex.ru

материала, нередко сопровождающиеся сменой его агрегатного состояния [1, 2].

Большими возможностями в этом отношении обладает открытый в 1967 году академиком А.Г. Мержановым и профессорами И.П. Боровинской и В.М. Шкиро процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) тугоплавких соединений, в том числе и нитридов [3, 4]. Однако, проанализировав различные источники информации [4-8], можно сделать вывод о том, что в работах Института структурной макрокинетики и материаловедения РАН (ИСМАН), являющегося разработчиком способа и технологии СВС, не упоминается о получении композиций «нитрид - нитрид» в одну стадию. В принципе, в режиме классического СВС возможно получение композиций, но в этом случае исходная шихта будет состоять из смеси порошков элементов, частицы которых будут иметь непосредственный контакт. Поэтому здесь возможно химическое взаимодействие в системе, например, «титан-бор» с образованием соответствующих бинарных соединений. Чтобы разделить частицы титана и бора в исходной шихте СВС, необходимо в нее вводить какие-либо инертные тугоплавкие добавки или компоненты целевой композиции. А это будет снижать выход и качество получаемого продукта.

Одним из приоритетных направлений в науке является синтез наноразмерных материалов и создание технологий их получения. Известно,

что для получения нитридных композиции нано-и микропорошков по ресурсосберегающей технологии СВС перспективно использовать такую ее разновидность как азидная технология СВС (СВС-Аз). Технология СВС-Аз основана на использовании азида натрия КаЫ3 в качестве твердого азотирующего реагента и галоидных солей различного состава [1, 9-11].

Достоинствами азидной технологии СВС с точки зрения получения нанопорошков являются [12]: а) низкие температуры и скорости горения. При низких температурах горения затруднительны процессы рекристаллизации и агломерации частиц продукта, поэтому после синтеза целевой продукт представляет собой неспечен-ный порошок с размером частиц, близким к размеру частиц порошка азотируемого элемента; б) наличие побочных продуктов синтеза как в газовом, так и в конденсированном состояниях, которые разделяют частицы целевого продукта, препятствуя увеличению их размера; в) применение газифицирующихся добавок (галоидных солей). В качестве галоидных солей, используемых в исходных шихтах СВС-Аз, применяются неорганические соединения, содержащие в своем составе помимо галогена различные радикалы. Хорошо себя зарекомендовали галоидные соли аммония, например, ЫН4С1 или ЫН4Е В результате целевой продукт синтеза будет содержать уже не натрий, а нейтральную соль, например, ЫаС1 и ЫаЕ Но для получения нитридов более высокой степени чистоты и наноразмерной структуры необходимо использовать галоидные соли, содержащие азотируемый элемент и дополнительно щелочной металл (КВЕ4, Ыа2Т1Е6) или аммонийную группу ((К^)^, КН4ВЕ4)[13-15].

Целью данной работы являлось исследование возможности получения ультрадисперсного (100500 нм) и наноразмерного (менее 100 нм) композиционного порошка на основе Т1Ы и ВЫ в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с использованием азида натрия и различных галоидных солей титана и бора.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ

При выборе азидных систем СВС для синтеза нитридной композиции «нитрид титана-нитрид бора» используется классификация и номенклатура комплексных галоидных солей, представленная в [1, 9]. Ввиду того, что большинство галоидных солей титана и бора не имеют промышленного производства, а получены в лабораторных условиях, в настоящей работе были использованы галоидные соли, которые выпускаются промышленностью.

В качестве исходного сырья использовались:

порошок тетрафторбората калия классификации «ч», представляющий собой соль в виде кристаллов КВЕ4 белого цвета (КВЕ4 не менее 99,0 мас. %); порошок тетрафторбората аммония классификации «ч», представляющий собой соль в виде кристаллов (ЫН4ВЕ4) белого цвета ((ЫН4ВЕ4) не менее 99,00 мас. %): порошок гек-сафтортитаната аммония классификации «ч», представляющий собой соль в виде кристаллов (ЫН4)2Т1Е6 белого цвета ((ЫН4)2Т1Е6 не менее 99,00 мас. %); порошок гексафтортитаната натрия, представляющий собой соль в виде кристаллов Ыа2Т1Е6 белого цвета (Ыа2Т1Е6 не менее 98,00 мас. %); порошок азида натрия классификации «ч», представляющий собой белые гексагональные кристаллы КаЫ3 (КаЫ3 не менее 98,71 мас. %) [1].

Стехиометрические уравнения химических реакций получения нитридной композиции Т1Ы-ВЫ в режиме СВС-Аз от изменения соотношения компонентов в исходной шихте выглядят следующим образом:

=™-ВК+9КаЕ+КЕ+4Н.+13,5К2; (1) увеличение в исходной шихте компонента КВЕ4: 2КВЕ4+12КаК3+(КН4)2Т1Е6=

=Т1К-4ВК+18КаЕ+4КЕ+4Н2+25,5К2; (4) увеличение в исходной шихте компонента

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎