Исследования горения систем для синтеза нитридной композиции Si 3n 4-tin

ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРЕНИЯ СИСТЕМ ДЛЯ СИНТЕЗА НИТРИДНОЙ КОМПОЗИЦИИ Si3N4-TiN Керсон Ирина Александровна, аспирант, ассистент

(e-mail: rafkalimullin@yandex.ru) Кондратьева Людмила Александровна, к.т.н, доцент Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

В данной статье представлены исследования процессов горения систем «галогенид кремния-азид натрия-галогенид титана» и возможности получения наноструктурированных порошков.

Ключевые слова: горение, композиция, нитрид кремния, нитрид титана, галогенид, азид натрия.

Целью работы являлось исследование процессов горения систем для синтеза нитридной композиции Si3N4-TiN из галогенидов кремния и титана по азидной технологии СВС.

В качестве исходного сырья для проведения исследований использовались: порошок (NH4)2TiF6, представляющий собой соль в виде кристаллов белого цвета, порошок Na2TiF6, представляющий собой соль в виде кристаллов белого цвета, порошок (NH4)2SiF6, представляющий собой соль в виде кристаллов белого цвета, порошок K2SiF6, представляющий собой соль в виде кристаллов бестветного цвета, порошок Na2SiF6, представляющий собой соль в виде кристаллов белого цвета.

Результаты по синтезу нитридной композиции Si3N4-TiN в зависимости от соотношения компонентов в исходной шихте, представлены на рисунке 1. Результаты ренгенофазового анализа продуктов горения исследуемых систем представлены в таблице 1. Морфология частиц конечного продукта при разном соотношении компонентов (галогенида кремния или галогени-да титана) представлена на рисунке 2.

Из представленных на рисунке 1а и 1б зависимостей видно, что с увеличением содержания Na2SiF6 (от 3 до 12 моль) в смеси Na2SiF6+NaN3+Na2TiF6 температура горения возрастает с 650 до 1400 С, а при увеличении содержания Na2TiF6 (от 1 до 4 моль) в смеси Na2SiF6+NaN3+Na2TiF6 температура горения возрастает с 650 до 1250 С Скорость горения постоянна - 1,0 см/с, кислотно-щелочной баланс промывной воды (рН) постоянен и равен 8. Из представленной на рисунке 1в зависимости видно, что с увеличением содержания (NH4)2SiF6 (от 3 до 12 моль) в смеси (NH4)2SiF6+NaN3+(NH4)2TiF6, скорость и температура горения снижаются с 1200 до 1100 С и с 0,3 до 0,2 см/с (начиная с 3 до 4 моль) соответсвенно, рН постоянен и равен 8.

Содержание яКагЗ^б, моль —Температура го реши, Т, °С -Ш-Скоростъ гореши, и, см/с

Содержание уЯиТТв, мояь —Тгшкр«>рв гореши, ТГ°С —Скорма Гфемп. V, снЛ

Содержание хОШфЗТб, мота. —Температура гореши, Т, °С —Скорость горения, и, см/с

Содержание уфМфИРв, моль —Температур» гсрсннл, Г, "С

Содержание хШвЙ?«, моль —Температура горения, Т, °С —•—Скорость горения, II, см/с

Содержание у^фТ^б, моль —Температура горения, Т, °С -1- Скорость горения, и, см/с

^ 1-100

Содержание х(МН4)2$1Р«, моль —Температура гореши, Т, °С Скорость горения, II, см/с

Содержание уМагТТ ш а гсрпви, Т, X Скорость горегая, и, оЛ

ж)

1400 1М0

V

V

«1

1.1 3

0,9 I

(Л7 5

Содержание хЮЗ^б, моль —Температура гореюи, Т, °С Скорость гореши, и, см/с

и)

к

V

1.5

» I

и =»

л,; £

№ 1

0-3 О «11 -ОД

Содержание уХаШ*. моль —Твмюриура горсиня, Т, 'С ——Сь^ххтъ гореши, II, см/с

Содержание хЮЗ^б, моль —Температура гореши, Т, °С —•—Скорость гореши, и, см/с

Содержание ДОНфТВД, медь

—Тсширяура то(мш. I, *С

к) л) м)

Рисунок 1. Зависимость температуры и скорости горения от соотношения компонентов (х или у) в исходной шихте: а) хКа281Р6+КаКз+Ка2Т1Рб; б) Ка281Бб+КаКз+уКа2Т1Рб; в) х^Ыд^Рб+Ка^+^Н^Рб; г) (ад^Рб+Ка^+у^^^Рб; д) хКа281Рб+КаКз+(КН4)2Т1Рб; е) Ка281Рб+КаКз+у(КН4)2Т1Рб; ж) х^^^Рб+Ка^+^^Рб; з) (ад^Рб+Ка^+у^^Рб; и) х^Рб+Ш^+^^Рб; к) ВДЯ'б+КаКз+у^ТЯ'б; л) хК281Р6+КаКз+(КН4)2Т1Р6; м) ^Рб+Ка^+у^^^Рб

Таблица 1 - Результаты ренгенофазового анализа продуктов горения

систем СВС-Аз

Количество компонентов х и у в системе РФА

Состав исходной шихты №1 «хКа281Е6-КаК3-уКа2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 1 моль ™ = 33 %, Т1812 = 30 %, 81 = 37 %; Т^ = 0 %

х = 9 моль и у = 1 моль ™ = 23 %, Т1812 = 11 %, 81 = 66 %; ад = 0 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 36 %, Т1812 = 32 %, 81 = 20 %, ад = 12 %

Состав исходной шихты №2 «х(КН4)281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 71 %, 81 = 29 %

х = 9 моль и у = 3 моль ™ = 47 %, 81 = 53 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 80 %, 81 = 20 %

Состав исходной шихты №3 «хКа281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 1 моль ™ = 60 %, 81 = 40 %

х = 9 моль и у = 1 моль ™ = 53 %, 81 = 47 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 77 %, 81 = 23 %

Состав исходной шихты №4 «х(КН4)281Е6-КаК3-уКа2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 1 моль Т1К = 44 %, а-8^ = 0 %; 81 = 42 %; Т1 = 14 %; ^ТЯ^ = 0 %

х = 9 моль и у = 1 моль ™ = 25 %, а-8^4 = 7 %; 81 = 7 %; Т1 = 39 %; ^ТЯ^ = 22 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 80 %, а-8^ = 0 %; 81 = 10 %; Т1 = 10 %; N2^ = 0 %

Состав исходной шихты №5 «хК281Е6-КаК3-уКа2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 1 моль ТШ = 48 %, а-8^ = 0 %, Р-8^4 = 0 %, 81 = 33 %, Т1 = 18 %

х = 9 моль и у = 1 моль ™ = 32 %, а-8^4 = 0 %; Р-813К4 = 0 %; 81 = 52 %, Т1 = 16 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 60 %, а-813К4 = 0 %, Р-813К4 = 0 %, 81 = 20 %, Т1 = 20 %

Состав исходной шихты №6 «хК281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Е6»

х = 3 моль и у = 1 моль ™ = 65 %, а-813К4 = 0 %, Р-813К4 = 0 %, 81 = 35 %, Т1 = 0 %

х = 9 моль и у = 1 моль ™ = 33 %, а-813К4 = 19 %; Р-813К4 = 0 %; 81 = 48 %, Т1 = 0 %

х = 3 моль и у = 3 моль ™ = 82 %, а-813К4 = 0 %, Р-813К4 = 0 %, 81 = 18 %, Т1 = 0 %

ЗОкУ Х25.000 1иш

х = 3 моль; у = 1 моль х = 9 моль; у = 1 моль х = 3 моль; у = 3 моль

а)

15ЬУ Х15,0<М

у/

Г.Т

•

lH.fl гт к- ' " |1ЯИ ш»

1ЯЛ1 Х15.0И1 1||т

х = 3 моль; у = 1 моль

х = 9 моль; у = 1 моль

б)

х6 = 3 моль; у = 3 моль

Г дй

301^ Х15,000 111П1

х = 3 моль; у = 1 моль х = 9 моль; у = 1 моль х = 3 моль; у = 3 моль

В) _

х = 3 моль; у = 1 моль х = 9 моль; у = 1 моль х= 3 моль; у = 3 моль

Г)

х = 3 моль; у = 1 моль х = 9 моль; у = 1 моль

Д)

Г 4

х = 3 моль; у = 3 моль

х = 3 моль; у = 1 моль х = 9 моль; у = 1 моль х = 3 моль; у= 3 моль

е)

Рисунок 2. Морфология частиц конечного продукта, синтезированного в

системах:а) «хКа281Е6-КаК3-уКа2Т1Е6»; б) «х(КН4)281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Б6»; в) «хКа281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Б6»; г) «х(КН4)281р6-КаК3-уКа2Т1Б6»; д) «хК281Е6-КаК3-уКа2Т1Е6»; е) «хК281Е6-КаК3-у(КН4)2Т1Е6»

Из представленной на рисунке 1г зависимости видно, что с увеличением содержания (NH4)2TiF6 в смеси (NH4)2SiF6+NaN3+(NH4)2TiF6, скорость и температура горения растут, кислотно-щелочной баланс промывной воды постоянен и равен 8. Из представленных на рисунках 1д и 1е зависимостей видно, что с увеличением содержания Na2SiF6 в смеси Na2SiF6+NaN3+(NH4)2TiF6, скорость и температура горения снижаются, кислотно-щелочной баланс промывной воды имеет рН = 6-7. Из представленных на рисунках 1ж и 1з зависимостей видно, что с увеличением содержания (NH4)2SiF6 в смеси (NK4)2SiF6+NaN3+Na2TiF6 температура горения возрастает, а скорость горения постоянна, кислотно-щелочной баланс промывной воды также постоянен и равен 8. Из представленных на рисунках 1л и 1м зависимостей видно, что с увеличением содержания K2SiF6 в смеси K2SiF6+NaN3+Na2TiF6 температура и скорость горения возрастают, кислотно-щелочной баланс промывной воды постоятен и равен 9. Из представленных на рисунках 1н и 1о зависимостей видно, что с увеличением содержания K2SiF6 в смеси K2SiF6+NaN3+(NH4)2TiF6 температура и скорость горения возрастают, кислотно-щелочной баланс промывной воды постоянет и равен 9. Это говорит о том, что в процессе горения остаются частицы натрия, который при взаимодействии с водой, при водной промывке образца, образует соединение Na2O и тем самым повышает кислотно-щелочной баланс.

Таким образом, в ходе экспериментов было установлено влияние соотношения исходных компонентов (галогенидов кремния и титана) на скорость и температуру горения, а следовательно на фазовый и гранулометрический состав конечного продукта. Было изучено структурообразование конечного продукта (рисунок 2), представляющего собой субмикрокристаллический порошок, имеющий игольчатую, пластинчатую, а также равноосную форму со средним размером частиц 100-200 нм.

Kerson Irina Aleksandrovna, postgraduate student, assistant (e-mail: rafkalimunm@yandex.ru) Samara state technical University, Samara, Russia Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna,

candidate of technical science, associate Professor Samara state technical University, Samara, Russia

STUDY OF COMBUSTION SYSTEMS FOR THE SYNTHESIS OF NITRIDE COMPOSITION Si3N4-TiN

Abstract. This article presents studies of combustion systems «silicon halide-sodium azide-halide of titanium» and the possibility of obtaining nanostructured powders.

Keywords: combustion, composition, silicon nitride, titanium nitride, halide, sodium azide.