Химия и химические технологии / 5.Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

Титова Ю. В., Майдан Д. А.

Самарский государственный технический университет, Россия

Повышение содержания нитрида алюминия
в продуктах горения смеси «AlF₃ + 3NaN₃»

Нитрид алюминия и композиционные материалы на его основе широко используются в последнее время. Нитевидные кристаллы нитрида алюминия — один из наиболее перспективных армирующих наполнителей для композиционных материалов. Но существующие способы его получения (синтез в электропечах сопротивления, плазмохимический синтез, восстановление-азотирование окиси алюминия, химическое осаждение из газовой фазы) не могут удовлетворять запросам современной техники, так как требуют колоссальных энергетических затрат, сложного аппаратурного оформления, имеют большую продолжительность процесса и низкое качество целевого продукта.

В данной работе исследовалась возможность увеличения содержания нитрида алюминия в продуктах горения смеси «AlF₃+3NaN₃» в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Химическое уравнение получения нитрида алюминия выглядит следующим образом:

AlF₃ + 3NaN₃ = AlN + 3NaF + 4N₂↑.

Фазовый состав продуктов синтеза определяли на автоматизированном рентгеновском дифрактометре ARL X'TRA. Съемку рентгеновских спектров проводили с помощью Cu-излучения при непрерывном сканировании в интервале углов 2θ от 20 до 80 градусов со скоростью 2 град./мин. [1]. Полученные спектры обрабатывали с помощью специального пакета прикладных программ WinXRD. Качественный фазовый анализ осуществляли сравнением набора экспериментальных межплоскостных расстояний d/n со штрих-рентгенограммами базы данных Международного центра дифракционных данных ICDD PDF2. Количественный фазовый анализ производился методом полнопрофильного анализа (метод Ритвельда) при помощи программы PDXL 1.8.1.0 с использованием открытой кристаллографической базы данных (COD).

На рисунке 1 представлены результаты рентгенофазового анализа (РФА) продуктов горения смеси «AlF₃+3NaN₃».

Рисунок 1 — Фазовые состав продуктов горения смеси «AlF₃ + 3NaN₃

Видно, что наряду с предполагаемым побочным продуктом — фторидом натрия, продукты горения содержат гексафторалюминат натрия, который также является нежелательной примесью.

Результаты количественного РФА продуктов показали, что продукты горения смеси «AlF₃ + 3NaN₃» состоят из трех фаз: AlN — 16,3 %, Na₃AlF₆ — 11,2 % и NaF — 72,5 %.

Так как галогениды натрия хорошо растворимы в воде, то отмывка дистиллированной водой позволяет выделить целевой продукт из конденсированных продуктов. Промывка заключается в разбавлении синтезированного порошка дистиллированной водой в соотношении 1:10, взмучивании полученной суспензии и последующей фильтрации целевых продуктов на вакуум-воронке [2].

На рисунке 2 представлена рентгенограмма продуктов горения смеси «AlF₃ + 3NaN₃» после операции промывки.

Рисунок 2 — Фазовый состав продуктов горения смеси «AlF₃ + 3NaN₃»

после операции промывки

Результаты количественного РФА показали, что после операции промывки продукты горения смеси «AlF₃ + 3NaN₃» состоят из двух фаз: AlN — 64 % и Na₃AlF₆ — 36 %. Из представленных результатов видно, что на ряду с целевым продуктом — AlN содержатся побочный продукт реакции — Na₃AlF₆. Гексафторалюминат натрия в отличие от фторида натрия, который полностью удаляется операцией промывки, плохо растворим в воде.

Отмывка Na₃AlF₆ осуществлялась путем разложения его на фториды натрия и алюминия, которые растворимы в воде путем его нагрева в печи в среде аргона при температуре 400-500 °С в течении 1 часа. После чего проводится повторная операция водной промывки. Результаты рентгенофазового анализа продуктов горения смеси «AlF₃ + 3NaN₃, подвергнутых вышеописанной обработке представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 — Фазовый состав продуктов горения смеси «AlF₃ + 3NaN₃»
после выдержки в печи

Результаты количественного РФА продуктов горения смеси «AlF₃ + 3NaN₃» после выдержки в печи показали, что содержание целевого продукта — нитрида алюминия увеличилось до 97,6 масс. %.

Список литературы

1. Русаков, А. А. Рентгенография металлов [Текст] / А. А. Русаков. М.: Атомиздат, 1977. – 237 с.

2. Бичуров, Г. В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридных композиций [Текст]: Монография / Г. В. Бичуров, Л. А. Шиганова, Ю. В. Титова. – М.: Машиностроение, 2012. – 519 с. – ISBN – 978-5-94275-658-1.