сотрудник с 01.01.2004 по 01.01.2022
Самара, Самарская область, Россия
В статье представлена схема проведения исследований по получению порошков нитридов по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Описан сам процесс проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в лабораторном реакторе СВС-Аз и последовательные операции, проводимые до синтеза конечного продукта и после его получения.
самораспространяющийся высокотемпературный синтез, азидная технология, порошок, нитрид
Процесс синтеза нитридов по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз) в лаборатории азидной технологии СВС-Аз (рис. 1) состоит из следующих этапов (рис. 2) [1, 4]:
1. Определить исходные компоненты реакционной шихты и составить стехиометрическое уравнение химической реакции.
Например:
Ме + NaN3 + Hal = МеN + NaF + N2,
где Ме – металл (неметалл) в твердом состоянии (Mg, B, Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W, Cr, Mo, Mn, Fe, Ni, B, Si), Hal – галоидная соль в твердом состоянии (например, NH4F, Na2TiF6, (NH4)2TiF6 и др.)
Количество азотирующего элемента (азота из азида натрия NaN3) и связывающего фтора, выделяющегося в процессе горения из галоидной соли, берут в таком соотношении, которое позволяет полностью увязывать натрий в процессе синтеза в химически нейтральное соединение - фторид натрия.
2. Рассчитать количество исходных компонентов шихты. Для расчетов используется компьютерная программа «Stehio», которая позволяет, зная молярную массу, плотность исходных элементов, их чистоту, а так же относительную плотность шихты рассчитать количество каждого исходного компонента.
3. Если необходимо, то провести подготовку исходных компонентов реакционных смесей: рассев, измельчение, сушка.
4. По отдельности взвесить порции порошков исходных компонентов на электронных весах (рис. 3).
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 1. Лаборатория азидной технологии СВС:
а) лабораторная установка СВС-Аз в вытяжном шкафу;
б) установка для промывки синтезированного продукта и сушка образцов на воздухе
в вытяжных шкафах
5. Поместить отвешенные компоненты шихты в керамическую ступку и перемешать ручным способом с помощью керамического пестика в течении 5-7 мин (рис. 3).
6. Смешанную шихту засыпать в предварительно подготовленный кальковый стакан диаметром 30 мм и высотой 45 мм.
7. Стакан с шихтой поместить на предметную полочку лабораторного реактора СВС-Аз постоянного давления с рабочим объемом 4,5 литра.
8. К шихте в кальковом стакане сверху подвести вольфрамовую спираль (рис. 4) для инициирования химической реакции в форме горения, которая соединена посредством электроконтактов с системой воспламенения. Вольфрамовая спираль при этом погружается на небольшую глубину в шихту [2].
9. В исходную смесь ввести две вольфрам-рениевые термопары ВК5/20 для измерения максимальной температуры и линейной скорости горения. Термопары предварительно свариваются из вольфрам-рениевой проволоки ВР-5 и ВР-20 диаметром от 100 до 200 мкм (рис. 4).
Концы термопары за поверхностью образца изолируются с помощью керамической «соломки» из оксида алюминия. Электрический сигнал от термопары, позволяющий регистрировать температуры и скорости горения, идет на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подсоединенный к компьютеру [3]. Глубина погружения термопары в образец соответствует радиусу образца, расстояние между спаями горизонтально расположенных термопар должно быть не менее 10 мм (рис. 5).
Рис. 2. Схема азидной СВС-технологии получения порошков нитридов
Рис. 3. Приготовление исходных смесей
10. Предметную полочку реактора, с размещенным на ней образцом, погрузить в лабораторный реактор СВС-Аз. К вольфрамовой спирали подключить тоководы реактора.
11. Из реактора удалить воздух путем его вакуумирования при помощи вакуум-насоса. Затем реактор промыть используемым рабочим газом, повторно провести вакуумирование и заполнить газом (в качестве газа берется азот) до необходимого значения рабочего давления.
12. Для инициирования химической реакции в форме горения на электроконтакты вольфрамовой спирали кратковременно подать напряжение постоянного тока и шихта воспламенится (рис. 6). Одновременно зарегистрировать давление по манометру. При превышении начального давления на 1 МПа избыточное давление из реактора сбросить с помощью вентиля сброса.
Рис. 4. Внешний вид термопар и вольфрамовой спирали
Рис. 5. Схема размещения вольфрам-рениевых термопар в образце с исходной смесью:
1 – кальковый стакан; 2 – исходная шихта;
3 – спай вольфрам-рениевой термопары ВР5/20; 4 – вольфрамовая спираль;
5 – вольфрам-рениевая термопара ВР5/20; 6 – керамическая «соломка»
из оксида алюминия; 7 – расстояние между вольфрам-рениевыми термопарами
ВР5/20; 8 – предметный столик
13. По завершении процесса горения для остывания синтезированного продукта предусмотрена его выдержка в реакторе без сброса давления в течение 15-20 минут, в зависимости от плотности загрузки реактора и химического состава смеси исходных компонентов. После чего в реакторе сбросить давление, разгерметизировать и извлечь полученный остывший продукт.
Рис. 6. Процесс воспламенения СВС-шихты:
1 - верхний слой шихты; 2 – верхний слой синтезированного продукта;
3 – синтезированный продукт внутри образца; 4– вольфрамовая спираль;
5 – фронт горения; 6 – смесь исходных компонентов внутри образца;
7 – кальковый стакан
14. Целевой продукт представляет собой в большинстве случаев цилиндрический образец, состоящий из частиц от белого до черного цвета, в зависимости какой продукт получают и легко разрушающийся до порошкообразного состояния при механическом воздействии. Снаружи продукт частично может быть покрыт черным слоем. Этим слоем является не сгоревший до конца в процессе синтеза кальковый стакан. Этот слой механически счищается с поверхности образца.
15. Полученный продукт поместить в керамическую ступку и с помощью керамического пестика измельчить в ручную до сыпучего порошкообразного состояния (рис. 7).
Рис. 7. Измельченный в фарфоровой ступке конечный продукт
16. Далее синтезируемый продукт подвергнуть химическому обогащению, заключающемуся в водной промывке с целью удаления фторида натрия оставшегося в продукте после синтеза. Промывка заключается в разбавлении синтезируемого порошка дистиллированной водой в соотношении 1:10, взмучивании полученной суспензии и последующей фильтрации на вакуум-воронке Бюхнера (рис. 8). При промывке с помощью индикаторной бумаги произвести замер кислотно-щелочного баланса промывной воды (pH).
Рис. 8. Фильтрация взмученной суспензии на вакуум-воронке Бюхнера
17. Сушка продукта после промывки и фильтрации на вакуум-воронке проводится естественным способом на открытом воздухе (рис. 9) в течение не менее двух дней [1].
18. Высушенный продукт взвешивается. Находится практический выход продукта по формуле
где m1 – теоретическая масса продукта, рассчитанная по стехиометрическому уравнению, m2 – масса образца после зачистки, измельчения и промывки.
Рис. 9. Сушка конечного промытого продукта на воздухе
1. Амосов А.П., Бичуров Г.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов: Монография. − Москва: Машиностроение-1,2007. − 526 с.
2. Кондратьева Л.А. Роль вольфрамовой спирали в азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Журнал технических исследований. − Т.5. − №4. − 2019. − С. 40−42.
3. Кондратьева Л.А. Термопары ВР5/20 для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза азотсодержащих продуктов / Журнал естественнонаучных исследований. − Т.4. − №3. − 2019. − С. 2-6.
4. Кондратьева Л.А. Процесс синтеза азотсодержащих продуктов по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Сборник научных трудов 9-й Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: пути инновационного развития» (30 июня 2020 г.), Т.1. – Курск, 2020. – C. 132-136.
