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

Сафаева Д. Р., Титова Ю. В.

Самарский государственный технический университет, Россия

Анализ традиционных методов получения нитрида бора

Нитрид бора и материалы на его основе имеют широкую область применения в современной технике, благодаря таким свойствам как: высокие значения электросопротивления и теплопроводности, стойкость к тепловым ударам, хорошая химическая стойкость в агрессивных средах и высокая твердость. Известно, что нитрид бора используется в качестве высокотемпературной смазки; покрытий; разделяющей среды при работе с керамикой, металлами и стеклом; компонента для керамики; наполнителя для пластмасс, металлов и композитов; а также абразивного и режущего инструмента.

Основными методами получения нитрида бора являются [1-2]:

— нагревание борного ангидрида, борной кислоты или буры с цианистым натрием, калием, кальцием или амидами по реакциям (1-3):

B₂O₃ + 2NaCN = 2BN + Na₂O + 2CO; (1)

B₂O₃ + 3NaNH₂ = 2BN + NH₃ + 3NaOH; (2)

Na₂B₄O₇ + 5NaNH₂ = 4BN + NH₃ + 7NaOH; (3)

– обработка борного ангидрида, борной кислоты или ее солей хлористым аммонием по реакциям (4-5):

B₂O₃ + 2NH₄Cl = 2BN + 2HCl + 3H₂O; (4)

2NH₄Cl + Na₂B₄O₇ = 2NaCl + H₂O + 2NH₃ + 2B₂O₃; (5¹)

B₂O₃ + 2NH₃ = 2BN + 3H₂O; (5²)

– пропусканием тока хлорида бора в смеси с водородом и избытком аммиака через кварцевую трубку по реакции (6):

4NH₃ + BCl₃ = BN + 3NH₄Cl; (6)

– обработка борного ангидрида аммиаком по реакции (7):

B₂O₃ + 2NH₃ = 2BN + 3H₂O; (7)

– плазмохимический синтез, при котором в струю азотной плазмы подаётся аморфный бор по реакции (8):

2B + N₂ = 2BN (8)

– самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), по реакциям (9-11):

4B + NaN₃ + NH₄F = 4BN + NaF + 2H₂; (9)

8B + 3NaN₃ + KBF₄ = 9BN + 3NaF + KF; (10)

12B + 4NaN₃ + NH₄BF₄ = 13BN + 4NaF + 2N₂. (11)

В зависимости от технологических условий получают различные модификации нитрида бора: гексагональная (α), графитоподобная кристаллическая структура; кубическая (β), типа сфалерита; плотная гексагональная (w), типа вюрцита.

Все эти методы обладают рядом недостатков: невысокая степень чистоты и сильно дефектная структура конечных продуктов, что сказывается на свойствах получаемых из порошков изделий. Оборудование, используемое в вышеупомянутых методах, дорогое и условия эксперимента довольно сложны и трудновыполнимы в условиях большинства лабораторий. Исключением является метод СВС, который широко применятся в последние годы для синтеза тугоплавких соединений.

Основным достоинством СВС является использование химической энергии системы, а не внешних источников тепла. В сочетании с высокой скоростью процесса метод СВС позволяет достичь высокой производительности при минимальных энергетических затратах.

Нашей задачей является создание эффективного, промышленного и безотходного способа получения нитрида бора с высоким выходом и чистотой целевого продукта. Высокая чистота продукта и контролируемая дисперсность порошка позволяет использовать нитрид бора во многих отраслях промышленности.

Нами предлагается синтезировать нитрид бора, используя в качестве азотирующего элемента – азид натрия (СВС-Аз), и галоидные соли бора в качестве азотируемых – тетрафторборат калия и тетрафторборат аммония. Стехиометрические уравнения реакций (12-13) получения нитрида бора по технологии СВС-Аз выглядят следующим образом:

KBF₄ + 3NaN₃ = BN + 3NaF + KF + 4N₂; (12)

NH₄BF₄ + 4NaN₃ = BN + 4NaF + 2H₂ + 6N₂. (13)

Под воздействием высоких температур, развиваемых в волне горения, галоидная соль разлагается. В результате чего образуется бор в активном состоянии. Азид натрия, также разлагается в волне горения. Образующийся при этом активный азот вступает в реакцию с бором, который образовался при распаде галоидной соли, то есть образуется целевой продукт – нитрид бора. Эта реакция идет в газовой фазе. В свою очередь галоген, образующийся при распаде галоидной соли, вступает в реакцию с натрием с образованием фторида натрия и выделением тепла, необходимого для поддержания процесса горения. Большие количества образующихся газов не дают соединиться первичным частицам нитрида бора в крупные агломераты. Такая последовательность превращения исходных реагентов в нитрид означает, что промежуточные продукты, непосредственно принимающие участие в его образовании, находятся на субатомном уровне, причем для этого не требуется измельчение исходных реагентов до наноразмеров. Этот факт является принципиальным преимуществом предлагаемого метода синтеза.

Таким образом, наиболее эффективным методом получения нитрида бора, является СВС, отличающийся простотой, высоким выходом целевого продукта, большей производительностью и меньшими энергозатратами.

Литература:

1. Амосов А. П., Бичуров Г. В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов. – М.: Машиностроение–1, 2007. − 526 с.

2. Самсонов Г. В. Нитриды. – Киев: Наукова думка, 1969. – 380 с.