Азидный самораспространяющийся высокотемпературный синтез высокодисперсных керамических нитридно-карбидных порошковых композиций TiN–SiC

Рассмотрено применение процесса азидного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз) для получения высокодисперсной порошковой керамической композиции TiN–SiC с теоретическим мольным соотношением нитридной и карбидной фаз от 1 : 4 до 4 : 1 с использованием процесса горения смесей порошковых реагентов соответствующего состава: азида натрия NaN₃, галоидных солей (NH₄)₂TiF₆, (NH₄)₂SiF₆, Na₂SiF₆, титана, кремния и углерода, в атмосфере газообразного азота. Термодинамические расчеты с применением компьютерной программы Thermo показали оптимальное давление азота в реакторе около 4 МПа и что в зависимости от состава реагентов конечный состав продуктов СВС-Аз может быть совершенно разным: включать только целевые фазы (TiN–SiC); наряду с целевыми фазами содержать примеси фаз нитрида кремния и свободного углерода (TiN–SiC–Si₃N₄–C); состоять только из фаз нитридов и свободного углерода (TiN–Si₃N₄–C). Установлено, что в случае применения галоидной соли (NH₄)₂TiF₆ образуются только целевые фазы TiN и SiC при любом соотношении нитридной и карбидной фаз в конечном составе порошковой композиции. При использовании галоидных солей (NH4)₂SiF₆ и Na₂SiF₆ целевые фазы TiN и SiC синтезируются при повышенном содержании титана в составе реагентов, т.е. только в случаях получения композиций с повышенным содержанием нитридной фазы TiN : SiC = 2 : 1 и 4 : 1. Экспериментальные исследования продуктов горения с применением растровой электронной микроскопии, энергодисперсионного и рентгенофазового методов анализа показали, что они существенно отличаются от теоретических составов продуктов полным отсутствием или сильно пониженным количеством фазы SiC в конечном составе порошковых композиций, синтезированных в режиме горения шихт с углеродом в насыпном состоянии, и в то же время отсутствием свободного углерода в конечном составе полученных порошков. Такое отличие объяснено тем, что при инициировании горения смеси порошков кремния и углерода сначала на первой стадии происходит синтез нитрида кремния с подъемом температуры до высоких значений, превышающих примерно 1900 °С, при которых синтезированный Si3N₄ диссоциирует, а затем на второй стадии возникающий кремний реагирует с углеродом, образуя SiC, более стабильный при высоких температурах. Но при горении очень мелкие легкие частицы технического углерода (сажи) могут удаляться (выдуваться) из горящего высокопористого шихтового образца насыпной плотности выделяющимися на первой стадии горения газами и не участвовать в превращении Si₃N₄ в SiC. В связи с этим в случаях сжигания шихт с небольшим содержанием углерода карбид кремния или совсем отсутствует, или образуется в малом количестве по сравнению с теоретически возможным, а основным компонентом композиции остается нитрид кремния Si₃N₄. При сжигании шихт с большим содержанием углерода формируется заметное количество SiC, но оно значительно меньше возможного теоретического, разница между которыми замещается содержанием нитрида кремния. Таким образом, впервые экспериментально показана возможность применения процесса СВС для получения композиций высокодисперсных керамических порошков TiN–Si₃N4 и TiN–Si₃N₄–SiC, состоящих из смеси наноразмерных (менее 100 нм) и субмикронных (от 100 до 500 нм) частиц при сравнительно малом содержании примеси свободного кремния (менее 1,4 %).

1. Рыжонков Д.И., Левина В.В., Дзидзигури Э.Л. Наноматериалы. М.: БИНОМ. Лаб. знаний, 2008.

2. Guo X., Yang H., Zhang L., Zhu X. Sintering behavior, microstructure and mechanical properties of silicon carbide ceramics containing different nano-TiN additive. Ceram. Int. 2010. Vol. 36. Iss. 1. P. 161—165. DOI: 10.1016/j.ceramint.2009.07.013.

3. Zhang L., Yang H., Guo X., Shen J., Zhu X. Preparation and properties of silicon carbide ceramics enhanced by TiN nanoparticles and SiC whiskers. Scripta Mater. 2011. Vol. 65. No. 3. P. 186—189. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2011.03.034.

4. Wing Z.N. TiN modified SiC with enhanced strength and electrical properties. J. Eur. Ceram. Soc. 2017. Vol. 37. No. 4. P. 1373—1378. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.11.007.

5. Basu B., Balani K. Advanced structural ceramics. Hoboken (NJ): Wiley, 2011.

6. Palmero P. Structural ceramic nanocomposites: a review of properties and powders’ synthesis methods. Nanomaterials. 2015. Vol. 5. No. 2. P. 656—696. DOI: 10.3390/nano5020656.

7. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: МИСиС, 2011.

8. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. М.: Физматлит, 2012. Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion for material synthesis. N.Y.: CRC Press, 2014.

9. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. Int. Mater. Rev. 2016. DOI: 10.1080/09506608.2016.1243291.

10. Zhang L., Yang H., Guo X., Shen J., Zhu X. Preparation and properties of silicon carbide ceramics enhanced by TiN nanoparticles and SiC whiskers. Scripta Mater. 2011. Vol. 65. No. 3. P. 186-189. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2011.03.034.

11. Blugan G., Hadad M., Graule T., Kuebler J. Si3N4—TiN—SiC three particle phase composites for wear applications. Ceram. Int. 2014. Vol. 40. Iss. 1. P. 1439—1446. DOI: 10.1016/j.ceramint.2013.07.027.

12. Blugan G., Hadad M., Janczak-Rusch J., Kuebler J., Graule T. Fractography, mechanical properties, and microstructure of commercial silicon nitride—titanium nitride composites. J. Amer. Ceram. Soc. 2005. Vol. 88. No. 4. P. 926—933. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2005.00186.x.

13. Guo X., Yang H., Zhang L., Zhu X. Sintering behavior, microstructure and mechanical properties of silicon carbide ceramics containing different nano-TiN additive. Ceram. Int. 2010. Vol. 36. Iss. 1. P. 161—165. DOI: 10.1016/j.ceramint.2009.07.013.

14. Shahedi Asl M., Zamharir M.J., Ahmadi Z., Parvizi S. Effects of nano-graphite content on the characteristics of spark plasma sintered ZrB2—SiC composites. Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. A716. P. 99—106. DOI: 10.1016/j.msea.2018.01.038.

15. Akhlaghi M., Tayebifard S.A., Salahi E., Shahedi Asl M., Schmidt G. Self-propagating high-temperature synthesis of Ti3AlC2 MAX phase from mechanically-activated Ti/Al/graphite powder mixture. Ceram. Int. 2018. Vol. 44. Iss. 8. P. 9671—9678. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.02.195.

16. Balak Z., Azizieh M., Kafashan H., Shahedi Asl M., Ahmadi Z. Optimization of effective parameters on thermal shock resistance of ZrB2—SiC-based composites prepared by SPS: using Taguchi design. Mater. Chem. Phys. 2017. Vol. 196. P. 333—340. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2017.04.062.

17. Han J.-C., Chen G.-Q., Du S.-Y., Wood J.V. Synthesis of Si3N4—TiN—SiC composites by combustion reaction under high nitrogen pressures. J. Eur. Ceram. Soc. 2000. Vol. 20. No. 7. P. 927—932. DOI: 10.1016/S0955-2219(99)00230-7.

18. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г., Сычев А.Е. Приемы регулирования дисперсной структуры СВС-порошков: От монокристальных зерен до наноразмерных частиц. Известия вузов. Цветная металлургия. 2006. No. 5. С. 9—22.

19. Nersisyan H.H., Lee J.H., Ding J.-R. Kim K.-S., Manukyan K.V., Mukasyan A.S. Combustion synthesis of zero-, one-, two- and three-dimensional nanostructures: Current trends and future perspectives. Progr. Energy Comb. Sci. 2017. Vol. 63. P. 79—118. DOI: 10.1016/J.PECS.2017.07.002.

20. Bichurov G.V. Halides in SHS azide technology of nitrides obtaining. In: Nitride Ceramics: Combustion synthesis, properties, and applications (Eds. A.A. Gromov, L.N. Chukhlomina). Weinheim: Wiley, 2015. P. 229—263. DOI: 10.1002/9783527684533.ch8.

21. Amosov A.P., Bichurov G.V., Kondrat’eva L.A., Kerson I.A. Nitride nanopowders by azide SHS technology. Int. J. Self-Prop. High-Temp. Synth. 2017. Vol. 26. No. 1. P. 11—21. DOI: 10.3103/S1061386217010034.

22. Titova Yu.V., Amosov A.P., Maidan D.A., Belova G.S., Minekhanova A.F. Physical and chemical features of combustion synthesis of nanopowder composition AlN— SiC using sodium azide. AIP Conf. Proceedings. 2020. Vol. 2304. No. 020008. DOI: 10.1063/5.0034318.

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

24. Бичуров Г.В., Шиганова Л.А., Титова Ю.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридных композиций. М.: Машиностроение, 2012.

25. Yamada O., Hirao K., Koizumi M., Miyamoto Y. Combustion synthesis of silicon carbide in nitrogen atmosphere. J. Amer. Ceram. Soc. 1989. Vol. 72. No. 9. P. 1735—1738. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1989.tb06315.x.

26. Zeng J., Miyamoto Y., Yamada O. Combustion synthesis of Si3N4—SiC composite powders. J. Amer. Ceram. Soc. 1991. Vol. 74. No. 9. P. 2197-2000. DOI: 10.1111/J.1151-2916.1991.TB08283.X.

27. Kata D., Lis J., Pampuch R., Stobierski L. Preparation of fine powders in the Si–C–N system using SHS method. Int. J. Self-prop. High-temp. Synth. 1998. Vol. 7. No. 4. P. 475—485.

28. Manukyan K.V., Kharatyan S.L., Blugan G., Kuebler J. Combustion synthesis and compaction of Si3N4/TiN composite powder. Ceram. Int. 2007. Vol. 33. Iss. 3. P. 379—383. DOI: 10.1016/j.ceramint.2005.10.006.

29. Han J.C., Chen Q.C., Du S.Y., Wood Y.V. Synthesis of Si3N4—TiN—SiC composites by combustion reaction under high nitrogen pressures. J. Eur. Ceram. Soc. 2000. Vol. 20. No. 7. P. 927—932. DOI: 10.1016/S0955-2219(99)00230-7.