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

Студент Дружинина Е. В., магистрант Сафаева Д. Р.,

к.т.н. Титова Ю. В., к.т.н. Майдан Д. А.

Самарский государственный технический университет, Россия

ПОЛУЧЕНИЕ НИТРИДА БОРА ИЗ СМЕСИ «ТЕТРАФТОРБОРАТ АММОНИЯ – АЗИД НАТРИЯ» ПО АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС

Благодаря высокой твердости, высоким диэлектрическим свойствам, способности к люминесценции, стойкости к абразивному износу, нитрид бора нашел широкое применение в реакциях промышленного органического синтеза, в изделиях высокотемпературной техники, в производстве полупроводников, в получении высокочистых металлов, газовых диэлектриков, в качестве огнетушащего средства, в производстве промышленной керамики.

Традиционно нитрид бора получают синтезом из простых веществ, методом восстановления-азотирования кислородных соединений бора и методом осаждения из газовой фазы.

Целью работы являлось исследование возможности получения BN методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в лабораторном реакторе из смеси «тетрафторборат аммония – азид натрия».

Стехиометрическое уравнение получения нитрида бора по азидной технологии СВС выглядит следующим образом:

NH₄BF₄ + хNaN₃ = BN + xNaF + 3x/2N₂ + x/2H₂ + (4–x)HF.

Для определения возможности получения нитрида бора из предложенной СВС-системы был проведен термодинамический анализ с помощью компьютерной программы Thermo. Результаты расчетов адиабатической температуры горения и энтальпии системы приведены на рисунке 1.

Известно, что нитрид бора образуется при температуре около 1300 °С. Из рисунка 1 видно, что адиабатические температуры горения всех предложенных систем достаточны для образования нитрида бора. Отрицательные значения энтальпии реакции говорят о том, что реакции идет с выделением тепла. Это является необходимым условием протекания процесса СВС.

251658240

Рис. 1. Результаты термодинамического анализа горения системы

«NH₄BF₄ + xNAN₃» в зависимости от содержания азида натрия

Экспериментальная часть работы сводилась к проведению синтеза нитрида бора на лабораторной установке СВС-Аз. Методика проведения синтеза подробно описана в работах [1, 2]. На 2 рисунке представлены зависимости температуры и скорости горения смеси «тетрафторборат аммония – азид натрия» от содержания азида натрия. Видно, что с увеличением содержания азида натрия в исходной смеси температура и скорость горения снижаются.

251658240

Рис. 2. Зависимости температуры и скорости горения смеси

«NH₄BF₄ + хNaN₃» от содержания азида натрия

Представленные экспериментальные зависимости согласуются с теоретическим термодинамическим анализом.

Ниже представлены результаты исследований продуктов горения. Для исследования синтезированных продуктов проводились рентгенофазовый (рис. 3) и микроструктурный (рис. 4) анализы. Фазовый состав продуктов синтеза определяли на автоматизированном рентгеновском дифрактометре ARL X'TRA, съемку рентгеновских спектров проводили с помощью Cu-излучения. Исследование топографии поверхности и морфологии частиц порошка проводились на растровом электронном микроскопе JSM-6390A с приставкой Jeol JED-2200.

251658240

Рис. 3. РФА продуктов горения смеси «NH₄BF₄ + 4NaN₃»

Из рентгенограммы видно, что продукты горения смеси «NH₄BF₄ + 4NaN₃» содержат целевой продукт горения – нитрид бора.

251658240

Рис. 4. Микроструктура порошка нитрида бора,

синтезированного из смеси «NH₄BF₄ + 4NaN₃»

На фотографиях микроструктуры видны частицы сферической и неправильной формы нитрида бора и побочных продуктов.

На основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Исходя из результатов рентгенофазового и микроструктурного анализов, для синтеза нитрида бора целесообразно использовать смесь состава «NH₄BF₄ + 4NaN₃».

2. Продукты синтеза указанной шихты представляют собой смесь двух фаз: нитрида бора и тетрафторбората аммония со средним размером частиц 100-200 нм.

Литература:

1. Амосов, А. П. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов [Текст] / А. П. Амосов, Г. В. Бичуров. – М.: Машиностроение-1, 2007. – 526 с. – ISBN 987-5-94275-344-3.

2. Амосов, А. П. Порошковая технология самораспростра-няющегося высокотемпературного синтеза материалов [Текст]: Учеб. пособие / А. П. Амосов, И. П. Боровинская, А. Г. Мержанов; Под научной редакцией В. Н. Анциферова. – М.: Машиностроение-1, 2007. – 567 с.

3. 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.