Использование галоидных солей кремния для определения теоретических условий получения нитридной композиции Si3N4-AlN по технологии СВС-Аз

Abstract: In this article, we study the structural features of the suspension of the traction engine of the 2ES5K electric locomotive, we consider the qualitative and quantitative evaluation of the processability of the part to improve the technological process of repair. Keywords: traction electric motor, suspension, wheel pair.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЛОИДНЫХ СОЛЕЙ КРЕМНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДНОЙ КОМПОЗИЦИИ Si3N4-AlN ПО ТЕХНОЛОГИИ СВС-АЗ Богатов Максим Валерьевич, студент (e-mail: bogatov.mak@yandex.ru) Кондратьева Людмила Александровна, к.т.н., доцент (e-mail: schiglou@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, Россия

В статье рассмотрены свойства галоидных солей кремния (Na2SiF6 и K2SiF6), их применение в различных сферах, а также термодинамический расчет параметров системы, показывающий возможность или не возможность получения нитридной композиции Si3N4-AlN.

Ключевые слова: галоидные соли, кремний, алюминий, термодинамический расчет, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, нитридная композиция.

Для проведения реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза по азидной технологии неотъемлемой частью является как теоретический расчет компонентов системы, так и расчет различных параметров (оптимальных условий). В данной работе рассмотрены уравнения реакции системы «прекурсор алюминия - азид натрия - прекурсор кремния», где в качестве прекурсоров используются две галоидные соли кремния (Na2SiF6 и K2SiF6).

Галоидные соли кремния (гексафторсиликат натрия Na2SiF6 и гексаф-торсиликат калия K2SiF6) применяются:

- в лабораторной практике;

- в гальваностегии;

- как антисептическое средство;

- в процессе извлечения из минералов редкоземельных элементов;

- в качестве компонента смесей при получении эмалей и слюд синтетического происхождения;

- для получения матовых и опаловых стекол и непрозрачных эмалей;

- в производстве кислотоупорных цементов и замазок;

- для обработки тканей;

- при флотационном обогащении пирита;

- для фторирования питьевой воды;

- в качестве инсектофунгицида;

- для консервирования древесины;

- в металлургии при получении бериллия и марганца;

- для борьбы с насекомыми [1, 2].

Преимуществом использования данных соединений (Ка^Бб и К^Бб) в реакции твердопламенного горения является их дешевизна по сравнению с чистым элементом - кремний. Основные свойства прекурсоров кремния, т.е. галоидных солей состоящих из щелочного металла, кремния и фторида (натрия или калия), представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Свойства прекурсоров ^ кремния

Галоидная соль Цвет Молярная масса, г/моль Температура плавления, °C Энтальпия образования, кДж/моль

Na2SiF6 бесцветные кристаллы 188,05 846 -2913

K2SiF6 бесцветные кристаллы 220,27 873 -2956

Для получения нитридной композиции, а именно нитрида алюминия и нитрида кремния в отдельности, необходимо достичь определенной температуры образования данных химических соединений, а именно для нитрида алюминия это интервал температур в диапазоне от 1000 до 1200 оС [3], а для нитрида кремния интервал температур в диапазоне от 1200 до 1400 оС [4]. Также важную роль играет тепловой баланс системы, где считается, что все химические соединения должны прореагировать друг с другом и тепловые потери во внешнюю среду отсутствуют.

Теоретические расчеты зависимостей количества продуктов реакции, температуры реакции и теплового баланса системы от соотношения компонентов в исходных системах (при увеличении галоидных солей кремния - Na2SiF6 и K2SiF6) «AlF3+NaN3+yNa2SiF6» и «AlF3+NaN3+yK2SiF6» проводились с помощью компьютерной программы «Thermo» с учетом давления газа 4 МПа [5].

Компьютерная программа «Thermo» была разработана в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (г. Черноголовка, Московской обл.). Комплекс программ «Thermo» разработан для осуществления расчетов термодинамического равновесия в сложных многоэлементных гетерофазных системах и предназначен для использования в задачах анализа возможного состава неорганических продуктов синтеза при расчетах адиабатической температуры горения системы. Фазовый состав веществ, полученных после термодинамического расчета, обозначался буквами: ж - жидкость, г - газ, т - твердое тело.

На рисунках 1 и 2 представлены графические зависимости равновесных концентраций продуктов синтеза, температуры реакции и теплового баланса системы «AlF3+NaN3+yNa2SiF6» от содержания в ней галоидной соли Na2SiF6. Из рисунков 1 и 2 видно, что с ростом содержания гексафторсили-

ката натрия Na2SiF6 (от 3 до 12 моль) в системе «AlF3+NaN3+>Na2SiF6» увеличивается адиабатическая температура реакции, а также увеличиваются продукты реакции: фторид натрия NaF (ж), нитрид кремния Si3N4 (т) и водород Н2 (г). Количество нитрида алюминия AlN (т) и фторида натрия NaF (г) во всех системах не изменяется. С увеличением количества Na2SiF6

в исходной шихте «увеличивается» тепловой баланс системы [6].

£0

Содержание N л? Ь и^, ыопь

• 0§щее кол-во гэз.про^-ктое  >ГэГ

-Ж-А17£

Рисунок 1 - Зависимость равновесных концентраций продуктов реакции от соотношения компонентов в системе «AlF3+NaN3+^Na2SiF6»

Содержание моль

ш Темпераг-уа, Тр, К —•—ТеплевоП баланс системы, кДж

Рисунок 2 - Зависимость температуры реакции и теплового баланса системы от соотношения компонентов в шихте в системе «AlF3-NaN3->Na2SiF(5»

На рисунках 3 и 4 представлены графические зависимости равновесных концентраций продуктов синтеза, температуры реакции и теплового баланса системы «AlF3+NaN3+yК2SiF(5» от содержания в ней галоидной соли К2SiF6. Из рисунков 3 и 4 видно, что с ростом содержания гексафторсили-ката калия К2SiF6 (от 3 до 12 моль) в системе «AlF3+NaN3+yК2SiF6» снижается адиабатическая температура реакции, но увеличиваются продукты реакции: нитрид кремния Si3N4 (т), фторид натрия NaF (ж), фторид калия КТ (ж) и азот N (г). Количество нитрида алюминия ЛШ (т), фторида натрия NaF (г) и фторида калия СТ (г) во всех системах практически не изменяет-

ся. С увеличением количества К2SiF6 в исходной шихте тепловой баланс системы «увеличивается».

£ 150

С " 11' и' j ] ж ) м ?' К ' S i мсип.

- t>iiTHIN' кшт-тт тяч I-ро т.к Ii>t. —Ш— 4iil

Лп!-,

bCF (ж) —SilN4 (tj

- A1N (i) -N2 fr>

Рисунок 3 - Зависимость продуктов реакции от соотношения компонентов в системе «AlF3+NaN3+>'К2SiF6»

6 э

Содержание K2$iF6, моль

5000

£ f

10000 5

о g

1SOOO 5

-20000

зоооо

-»-Температура. Тр. К Теплом)! баланс системы, кДж

Рисунок 4 - Зависимость температуры реакции и теплового баланса системы от соотношения компонентов в шихте в системе «AlF3+NaN3+>'К2SiF6»

Таким образом, в статье представлена информация о характеристиках и применении галоидных солей кремния - R2SiF6 и Na2SiF6. Рассмотрена возможность их использования в азидной технологии СВС. При помощи компьютерной программы «Thermo» теоретически были определены адиабатические температуры и тепловой баланс систем «AlF3+NaN3+yNa2SiF6» и «AlF3+NaN3+yK2SiF6». В системе «галогенид алюминия - азид натрия -галогенид кремния» при увеличении галоидной соли - Na2SiF6 (от 3 до 12 моль) теоретическая средняя температура реакции составляет порядка 1400 оС, что достаточно для образования нитридной композиции Si3N4-AlN. В системе «галогенид алюминия - азид натрия - галогенид кремния» при увеличении галоидной - R2SiF6 (от 3 до 12 моль) теоретическая средняя температура реакции составляет порядка 1200 оС, что достаточно для образования AlN, но недостаточно для образования Si3N4, так как известно, что для получения нитридной композиции Si3N4-AlN необходим темпера-

турный интервал в диапазоне от 1200 до 1400 оС. Отсюда следует, что для получения нитридной композиции Si3N4-AlN из системы «галогенид алюминия - азид натрия - галогенид кремния» в качестве галоидной соли рациональнее использовать гексафторсиликат натрия - Na2SiF6.

Список литературы

1. Ийр8://т.,шк1ре^а.ог§/,шк1/Гексафторосиликат_натрия

2. http://kurskhimprom.ru/catalog/neorganicheskie-reaktivy/kaliy-geksaftorsilikat

3. Самсонов Г.В. Нитриды / Г.В. Самсонов - К.: Наукова думка, 1969, 371 с.

4. Инамура Я. Огнеупоры и их применение / Я. Инамура - Металлургия, 1984, 446 с.

5. Кондратьева Л. А. Исследование возможности получения порошковой нитридной композиции AlN-Si3N4 с применением азида натрия и галоидных солей элементов / Л. А. Кондратьева, М.В. Богатов // Материалы Международной научно-практической конференции НИЦ «Поволжская научная корпорация» «Наука, образование, инновации: апробация результатов исследований».- Самара: ООО «Офорт», 2016. - С. 317-321.

6. Кондратьева Л.А. Термодинамический анализ возможности получения композиции Si3N4-AlN в режиме горения / Л.А. Кондратьева, М.В. Богатов // Материалы Всероссийской научно-технической интернет-конференции «Высокие технологии в машиностроении».- Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2016. - С. 181-184.

Bogatov Maksim Valerevich, student

(e-mail: bogatov.mak@yandex.ruj

Samara state technical University, Samara, Russia

Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,

candidate of technical science, associate Professor

Samara state technical University, Samara, Russia

USING HALOID SALTS OF SILICON FOR DETERMINATION OF THEORETICAL CONDITIONS OF OBTAINING NITRIDE COMPOSITION OF Si3N4-ALN ON SHS-AZ TECHNOLOGY

Abstract The properties of halide salts of silicon (Na2SiF6 and K2SiF6), their application in various spheres, as well as the thermodynamic calculation of the parameters of the system, showing whether or not it is possible to obtain the Si3N4-AlN nitride composition are considered.

Keywords: halide salts, silicon, aluminum, thermodynamic calculation, self-propagating high-temperature synthesis, nitride composition.