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

Хусаинова Т. Н., Титова Ю. В.

Самарский государственный технический университет, Россия

Получение композиции нитридов титана и алюминия методом СВС-Аз из системы «Ti–xAl−NaN₃−NH₄F»

В настоящее время такие материалы как нитриды, карбиды и бориды получили широкое распространение во всем мире, благодаря своим уникальным свойствам. Тем не менее, изделия из керамики на основе нитрида титана или нитрида алюминия достигли своего максимального развития, и внимание сейчас обращено на композиционные материалы, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с однофазными, такими, как высокая вязкость разрушения, повышенная термостойкость и высокая износостойкость. Кроме того, большое внимание в последнее время уделяется нанокристаллическим тугоплавким материалам, в связи, с так называемым размерным эффектом, который позволяет повышать технологические свойства в несколько раз.

Методом, который позволяет получать композиции на основе нитридов, является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) с использованием неорганических азидов (СВС-Аз) и галоидных солей. Перспективы его использования обусловлены простотой технологического оборудования, небольшой продолжительностью, экономичностью процесса и высокой степенью чистоты целевых продуктов, что главным образом сказывается на физико-химических и механических свойствах конечного изделия [1].

Предварительные эксперименты показали принципиальную возможность получения желаемой композиции нитридов титана и алюминия. Стехиометрическое уравнение получения композиции AlN-TiN выглядит следующим образом:

3Ti+4Al+2NaN₃+2NH₄F→4AlN+3TiN+2NaF+0,5N₂↑+4H₂↑.

Продукты горения указанной системы представляют собой смесь порошков AlN и TiN. Средний размер частиц нитридов титана и алюминия составляет 70 микрометров.

В данной работе исследовалась зависимость параметров синтеза и характеристик получаемого порошка от соотношения компонентов в исходной смеси. Уравнение для синтеза композиции AlN-TiN:

Ti+хAl+NaN₃+NH₄F→хAlN+TiN+NaF+(3-х)/2N₂↑+2H₂↑,

где х – количество молей алюминия в исходной шихте.

В таблице 1 представлены результаты исследования параметров синтеза целевой композиции. Температуры и скорости горения смесей с различным содержанием алюминия регистрировались с помощью двух W-Re термопар, которые соединены с компьютером посредством АЦП.

Таблица 1

Зависимость температуры и скорости горения от содержания алюминия

Система	Температура горения, ТГ, °С	Скорость горения, UГ, см/с
Ti – 1Al – NaN3 – NH4F	1460	0,25
Ti – 2Al – NaN3 – NH4F	1440	0,30
Ti – 3Al – NaN3 – NH4F	1380	0,35
Ti – 4Al – NaN3 – NH4F	1350	0,40
Ti – 5Al – NaN3 – NH4F	1240	0,50

Как видно из таблицы 1, с увеличением содержания алюминия температура горения снижается, а скорость, напротив, возрастает. Известно [2], что нитрид алюминия и нитрид титана образуются при температурах – 720 °С и 950 °С, соответственно, таким образом температуры распространения фронта горения достаточны для образования целевых нитридов.

Результаты рентгенофазового анализа, полученные на электронном дифрактометре ARL X'trA-l38 показали, что продукты, синтезированные из систем «Ti – хAl – NaN₃ – NH₄F» состоят из целевых нитридов титана и алюминия.

Размер частиц порошка конечных продуктов синтеза определялся с помощью лазерного анализатора частиц «Анализетте-22», результаты исследования приведены в таблице 2.

Таблица 2

Гранулометрический состав продуктов горения систем «Ti – хAl – NaN₃ – NH₄F»

Система	Размер частиц порошка, мкм
	Минимальный	Максимальный	Основная масса части
Ti – 1Al – NaN3 – NH4F	0,3	300	20-60
Ti – 3Al – NaN3 – NH4F	0,3	300	20-70
Ti – 5Al – NaN3 – NH4F	0,3	300	200-300

Установлено, что увеличение содержание алюминия в исходной шихте не значительно влияет на размер частиц целевой композиции, и только при добавлении 5 молей алюминия наблюдается заметный рост размера частиц.

На рисунке 1 представлено распределение частиц по размерам порошка композиции нитридов титана и алюминия, синтезированного из системы «Ti – Al – NaN₃ – NH₄F».

Рисунок 1 – Гранулометрический состав порошка,

синтезированного из системы «Ti-Al-NaN₃-NH₄F»

Таким образом, исследуемая в данной работе система позволила синтезировать композицию порошков нитрида титана и нитрида алюминия.

Литература:

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

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