СВС высокодисперсных порошковых композиций нитридов с карбидом кремния. Обзор

Рассмотрено применение процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для получения высокодисперсных порошковых нитри дно-карбидных композиций из наиболее распространенных тугоплавких нитридных (Si3N4, AlN, TiN) и карбидного (SiC) соединений с размером частиц менее 1 мкм. Изложены преимущества композиционной керамики перед однофазными керамическими материалами и такие тенденции ее развития, как переход к наноструктурной керамике и использование in situ процессов прямого химического синтеза наночастиц компонентов в объеме композита. Показана привлекательность процесса СВС как одного из перспективных in situ процессов, характеризующегося простотой и экономичностью, возможностью получения высокодисперсных керамических порошков при сжигании смесей недорогих реагентов. Значительное внимание уделено рассмотрению результатов применения азидного СВС, основанного на использовании азида натрия и газифицирующихся галоидных солей в составе смесей исходных порошков азотируемых и карбидизируемых элементов при их сжигании в газообразном азоте. Представлен обзор публикаций, посвященных применению СВС для получения высокодисперсных композиционных порошков Si3N4–SiC, AlN–SiC и TiN–SiC, перспективных для использования при спекании соответствующих композиционных керамических материалов субмикронной и наноразмерной структуры с повышенными свойствами, меньшей хрупкостью, хорошей обрабатываемостью, меньшими температурами спекания по сравнению с однофазными керамическими материалами из нитридов или карбидов, а также для использования в других приложениях. Подробно представлены результаты применения азидного СВС как в виде показателей термодинамических расчетов, так и данных экспериментального исследования параметров горения, структуры и состава продуктов горения. Обсуждены достоинства и недостатки использования процесса горения для синтеза композиций нитридов с карбидом кремния, причины возникновения сдерживающих факторов и направления проведения дальнейших исследований по их устранению.

1. Косолапова Т.Я., Андреева Т.В., Бартницкая Т.Б., Гнесин Г.Г., Макаренко Г.Н., Осипова И.И., Прилуцкий Э.В. Неметаллические тугоплавкие соединения. М.: Металлургия, 1985.

2. Самсонов Г.В. Нитриды. Киев: Наук. думка, 1969.

3. Андриевский Р.А., Спивак И.И. Нитрид кремния и материалы на его основе. М.: Металлургия, 1984.

4. Агеев О.А., Беляев А.Е., Болтовец Н.С., Киселев В.С., Конакова Р.В., Лебедев А.А., Миленин В.В., Охрименко О.Б., Поляков В.В., Светличный А.М., Чередниченко Д.И. Карбид кремния: технология, свойства, применение. Харьков: ИСМА, 2010.

5. Basu B., Balani K. Advanced structural ceramics. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2011.

6. Liu C.C., Huang J.L. Effect of the electrical discharge machining on strength and reliability of TiN/Si3N4 composites. Ceram. Int. 2003. Vol. 29. No. 6. P. 679—687. DOI: 10.1016/S0272-8842(02)00217-1.

7. Huang J.L., Nayak P.K. Effect of nano-TiN on mechanical behavior of Si3N4 based nanocomposites by spark plasma sintering (SPS). In: Nanocomposites — new trends and developments. Ed. F. Ebrahimi. Rijeka: InTech, 2012. P. 421—436. DOI: 10.5772/50547.

8. Niihara K. New design concept of structural ceramicsceramic nanocomposites. J. Ceram. Soc. Jpn. 1991. Vol. 99. P. 974—982. DOI: 10.2109/JCERSJ.99.974.

9. Palmero P. Structural ceramic nanocomposites: A review of properties and powders’ synthesis methods. Nanomaterials. 2015. Vol. 5. P. 656—696. DOI: 10.3390/nano5020656.

10. Montanaro L., Palmero P. Advances in the field of nanostructured ceramic composites. Ceramics. 2019. Vol. 2. P. 296—297. DOI: 10.3390/ceramics2020024.

11. Yoshimura M., Komura O., Yamakawa A. Microstructure and tribological properties of nano-sized Si3N4. Scr. Mater. 2001. Vol. 44. P. 1517—1521. DOI: 10.1016/S1359-6462(01)00721-7.

12. Tatami J., Kodama E., Watanabe H., Nakano H., Wakihara T., Komeya K., Meguro T., Azushima A. Fabrication and wear properties of TiN nanoparticle-dispersed Si3N4 ceramics. J. Ceram. Soc. Jpn. 2008. Vol. 116. No. 6.P. 749—754. DOI: 10.2109/jcersj2.116.749.

13. Nanomaterials and related products: catalogue and pricelist. URL: http://www.plasmachem.com/download/PlasmaChem-General_Catalogue_Nanomaterials_2022(accessed: 17.03.2022).

14. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. М.: Машиностроение-1, 2007.

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

16. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. М.: Физматлит, 2012.

17. 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. Vol. 62 (4). P. 1—37. DOI: 10.1080/09506608.2016.1243291.

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 0360-1285.

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

21. 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-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2015. P. 229—263.

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

23. Amosov A.P., Bichurov G.V., Kondrat’eva L.A., Kerson I.A. Nitride nanopowders by azide SHS technology. Int. J. SHS. 2017. Vol. 26. No. 1. P. 11—21.

24. Mukasyan A.S. Combustion synthesis of silicon carbide. In: Properties and applications of silicon carbide. Ed. R. Gerhardt. Rijeka, Croatia: InTech, 2011. P. 361—388.

25. Нерсисян Г.А., Никогосов В.Н., Харатян С.Л., Мержанов А.Г. Химический механизм превращения и режимы горения в системе кремний—углерод—фторопласт. Физика горения и взрыва. 1991. No. 6. С. 77—81.

26. Закоржевский В.В., Лорян В.Э., Акопджанян Т.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез нановолокон карбида кремния. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020. No. 2. С. 14—20. DOI: 10.17073/1997-308X-2020-2-14-20.

27. Бобович Б.Б. Неметаллические конструкционные материалы: Учеб. пос. М.: МГИУ, 2009.

28. Justin J.F., Jankowiak A. Ultra high temperature ceramics: densification, properties and thermal stability. Aerospace Lab. 2011. No. 3. P. 1—11.

29. Симоненко Е.П., Симоненко Н.П., Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Лысенков А.С., Нагорнов И.А., Севастьянов В.Г., Кузнецов Н.Т. Окисление пористых ультравысокотемпературных керамических материалов HfB2—SiC с повышенным содержанием карбида кремния (65 об.%) сверхзвуковым потоком воздуха. Журн. неорган. химии. 2020. Т. 65. No. 4. С. 564—573. DOI: 10.31857/S0044457X20040194.

30. Пилиповский Ю.Л., Грудина Т.В., Сапожникова А.Б., Листовничая С.П., Гриффен Л.А., Ступко А.В. Композиционные материалы в машиностроении. Киев: Техника, 1990.

31. Pezzotti G. Si3N4—SiC-platelet composite without sintering aids: a candidate for gas turbine engines. J. Am. Ceram. Soc. 1993. Vol. 76. P. 1313—1320. DOI: 10.1002/chin.199330007.

32. Khajelakzay M., Bakhshi S.R. Optimization of spark plasma sintering parameters of Si3N4—SiC composite using response surface methodology (RSM). Ceram. Int. 2017. Vol. 43. P. 6815—6821. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.02.099.

33. Yanai T., Ishizaki K. Mechanical properties of Si3N4 ceramics prepared from carbon coated powders. J. Ceram. Soc. Jpn. 1993. Vol. 101. P. 764—768. DOI: 10.2109/jcersj.101.764.

34. Riedel R., Seher M., Becker G. Sintering of amorphous polymer-derived Si, N and C containing composite powders. J. Eur. Ceram. Soc. 1989. Vol. 5. P. 113—122. DOI: 10.1016/0955-2219(89)90018-6.

35. Suri J., Shaw L., Zawrah M.F. Controlling the relative contents of Si3N4 and SiC through carbothermic reduction and nitridation of silica fume. Int. J. Appl. Ceram. Tech. 2012. Vol. 9. P. 291—303. DOI: 10.1111/j.1744-7402.2011.00710.x.

36. Hojo J., Meada H., Kato A. Preparation of composite particles of SiC—Si3N4 system by vapor reaction method. Yogyo-Kyokai-Shi. 1987. Vol. 95. P. 45—49.

37. Lee H.J., Eguchi K., Yoshida T.J. Preparation of ultrafine silicon nitride, and silicon nitride and silicon carbide mixed powders in a hybrid plasma. J. Am. Ceram. Soc. 2005. Vol. 73. P. 3356—3362. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1990.tb06461.x.

38. Yamada O., Hirao K., Koizumi M., Miyamoto Y. Combustion synthesis of silicon carbide in nitrogen atmosphere. J. Am. Ceram. Soc. 1989. Vol. 72 (9). P. 1735—38. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1989.tb06315.x.

39. Zeng J., Miyamoto Y., Yamada O. Combustion synthesis of Si3N4/SiC composite powders. J. Am. Ceram. Soc. 1991. Vol. 74. P. 2197—2200. DOI: 10.1111/J.1151-2916.1991. TB08283.X.

40. Kata D., Lis J., Pampuch R., Stobierski L. Preparation of fine powders in the Si—C—N system using SHS method. Int. J. SHS. 1998. Vol. 7. No. 4. P. 475—485.

41. Хачатрян Г.Л., Арутюнян А.Б., Харатян С.Л. Активированное горение смеси кремний—углерод в азоте и СВС композиционных керамических порошков Si3N4/SiC и карбида кремния. Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42. No. 5. С. 56—62.

42. Чухломина Л.Н., Максимов Ю.М., Верещагин В.И. Cамораспространяющийся высокотемпературный синтез композиционных нитридсодержащих керамических материалов. Новосибирск: Наука, 2012.

43. Боровинская И.П., Закоржевский В.В., Игнатьева Т.И., Мержанов А.Г., Савенкова Л.П. Способ получения нитрида кремния с повышенным содержанием альфа-фазы: Пат. 2137708 (РФ). 1998.

44. Закоржевский В.В. Cамораспространяющийся высокотемпературный синтез нитридов кремния, алюминия и композиционных порошков на их основе: Дис ... канд. техн. наук. Черноголовка: ИСМАН, 2004.

45. Титова Ю.В., Амосов А.П., Ермошкин А.А., Марков Ю.М., Хусаинова Т.Н., Попова А.В. Получение нанопорошка карбида кремния и композиции на его основе по азидной технологии СВС. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. No. 3. С. 45—51.

46. Амосов А.П., Белова Г.С., Титова Ю.В., Майдан Д.А. Синтез высокодисперсной порошковой керамической композиции Si3N4—SiC при горении компонентов в системе Si—C—NaN3—NH4F. Журн. неорган. химии. 2022. Т. 67. No. 2. С. 1—9. DOI: 10.31857/S0044457X22020027.

47. Непочатов Ю., Земницкая А., Муль П. Разработка керамики на основе нитрида алюминия для изделий электронной техники. Соврем. электроника. 2011. No. 9. С. 14—16.

48. Kexin C., Haibo J., Zhou H.P., Ferreira J.M.F. Combustion synthesis of AlN—SiC solid solution particles. J. Eur. Ceram. Soc. 2000. Vol. 20. P. 2601—2606. DOI: 10.1016/S0955-2219(00)00119-9.

49. Unni C.K., Gordon D.E. Mechanical properties of mono-lithic AlN and SiCw/AlN composites. J. Mater. Sci. 1995. Vol. 30. P. 1173—1179. DOI: 10.1007/BF00356116.

50. Zangvil A., Ruh R. Phase relationship in the silicon carbide-aluminum nitride system. J. Am. Ceram. Soc. 1988. Vol. 71. P. 884—890. DOI: 10.1111/J.1151-2916.1988.TB07541.X.

51. Besisa D.H.A., Ewais E.M.M., Ahmed Ya.M.Z., Elhosiny F.I., Fend T., Kuznetsov D.V. Investigation of microstructure and mechanical strength of SiC/AlN composites processed under different sintering atmospheres. J. Alloys Compd. 2018. Vol. 756. P. 175—181. DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2018.05.020.

52. Miura M., Yogo T., Hirano S.-I. Phase separation and toughening of SiC—AlN solid-solution ceramics. J. Mater. Sci. 1993. Vol. 27. P. 3859—3865. DOI: 10.1007/BF00353191.

53. Besisa D.H.A., Ewais E.M.M., Ahmed Ya.M.Z., Elhosiny F.I., Fend T., Kuznetsov D.V. Thermal shock resistance of pressureless sintered SiC/AlN ceramic composites. Mater. Res. Express. 2018. Vol. 5. No. 1. P. 015506. DOI:10.1088/2053-1591/AAA2C2.

54. Lee R.-R, Wei W.-C. Fabrication, microstructure, and properties of SiC—AlN ceramic alloys. Ceram. Eng. Sci. Proc. 1990. Vol. 11 (7/8). P. 1094—1121. DOI: 10.1002/9780470313008.CH39.

55. Gao P., Jia Ch.-Ch., Cao W.-B., Wang C.-C., Liang D., Xu G.-L. Dielectric properties of spark plasma sintered AlN/SiC composite ceramics. Int. J. Miner. Metall. Mater. 2014. Vol. 21. Nо. 6. P. 589—594. DOI: 10.1007/s12613-014-0946-1.

56. Cutler I.B., Miller P.D., Rafaniello W., Park H.K., Thompson D.P., Jack K.H. New materials in the Si—C—Al—O—N and related systems. Nature. 1978. Vol. 275. P. 434—435. DOI: 10.1038/275434A0.

57. Teusel I., Rossel C. Pressureless sintering of aluminium nitride/silicon carbide ceramics. J. Mater. Sci. Lett. 1992.Vol. 1 (1). P. 205—207. DOI: 10.1007/BF00741422.

58. Ruh R., Zangvil A. Composition and properties of hotpressed SiC—AlN solid solution. J. Am. Ceram. Soc. 1982. Vol. 65. P. 260—265. DOI: 10.1111/J.1151-2916.1982.TB10429.X.

59. Xue H., Munir Z.A. The synthesis of composites and solid solutions of SiC—AlN by field-activated combustion. Scr. Mater. 1996. Vol. 35. No. 8. P. 919—982. DOI:10.1016/1359-6462(96)00246-1.

60. Abbasi Z., Shariat M.H., Javadpour S. Microwave-assisted combustion synthesis of AlN—SiC composites using a solid source of nitrogen. Powder Technol. 2013. Vol. 249. P. 181—185. DOI: 10.1016/J.POWTEC.2013.08.012.

61. Borovinskaya I.P., Akopdzhanyan T.G., Chemagina E.A., Sachkova N.V. Solid solution (AlN)x(SiC)1–x (x = 0.7) by SHS under high pressure of nitrogen gas. Int. J. SHS. 2018. Vol. 27. No. 1. P. 33—36. DOI: 10.3103/S1061386218010028.

62. Juang R.-C., Chen C.-C., Kuo J.-C., Huang T.-Y., Li Y.-Y. Combustion synthesis of hexagonal AlN—SiC solid solution under low nitrogen pressure. J. Alloys Compd. 2009. Vol. 480. P. 928—933. DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2009.02.102.

63. 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. Proc. 2020. Vol. 2304. Art. 020008. DOI: 10.1063/5.0034318.

64. Amosov A., Smetanin K., Titova Yu., Maidan D. Preparation of ceramic nitride-carbide composition AlN—SiC by SHS method using halide salt and sodium azide. In: Proc. 7th Intern. Congr. on energy fluxes and radiation effects (EFRE-2020). IEEE Xplore. 2020. P. 1110—1114. DOI: 10.1109/EFRE47760.2020.9241986.

65. Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Химические свойства неорганических веществ. М.: Дрофа, 2007.

66. Titova Y.V., Sholomova A.V., Kuzina A.A., Maidan D.A., Amosov A.P. Azide SHS of aluminum nitride nanopowder and its application for obtaining Al—Cu—AlN cast nanocomposite. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2016. Vol. 156. Art. 012037. DOI: 10.1088/1757-899X/156/1/012037.

67. 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.

68. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справочник. М.: Металлургия, 1976.

69. Лысенков А.С., Ким К.А., Каргин Ю.Ф., Фролова М.Г., Титов Д.Д., Ивичева С.Н., Овсянников Н.А., Коновалов А.А., Перевислов С.Н. Композиты Si3N4—TiN, полученные горячим прессованием порошков нитрида кремния и титана. Неорган. материалы. 2020. T. 56. No. 3. C. 324—328. DOI: 10.31857/S0002337X20030112.

70. Самсонов Г.В., Кулик О.П., Полищук В.С. Получение и методы анализа нитридов. Киев: Наук. думка, 1978.

71. Kiesler D., Bastuck T., Theissmann R., Kruis F.E. Plasma synthesis of titanium nitride, carbide and carbonitride nanoparticles by means of reactive anodic arc evaporation from solid titanium. J. Nanopart. Res. 2015. Vol. 17. Art. 152. DOI: 10.1007/s11051-015-2967-8.

72. Dekker J.P., Van der Put P.J., Veringa H.J., Schoonman J. Vapor-phase synthesis of titanium nitride powder. J. Mater. Chem. 1994. Vol. 4. No. 5. P. 689—694. DOI: 10.1039/JM9940400689.

73. Шиганова Л.A., Бичуров Г.В., Амосов А.П., Титова Ю.В., Ермошкин А.A., Бичурова П.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез наноструктурированного порошка нитрида титана с использованием азида натрия и галоидной титаносодержащей соли. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2010. No. 1. С. 18—22.

74. Закоржевский В.В. Разработка СВС-технологий порошков нитридов Al, Si, Zr, Ti и композиций на их основе: Дис. … докт. техн. наук. Черноголовка:ИСМАН, 2022.

75. 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.

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

77. Леонов А.В., Севостьянов М.А., Лысенков А.С., Царева А.М., Насакина Е.О., Баикин А.С., Сергиенко К.В., Колмаков А.Г., Опарина И.Б. Способ получения композиционного материала SiC—TiN: Пат. 2681332 (РФ). 2019.

78. 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.

79. Титова Ю.В., Амосов А.П., Майдан Д.А., Белова Г.С., Минеханова А.Ф. Азидный самораспространяющийся высокотемпературный синтез высокодисперсных керамических нитридно-карбидных порошковых композиций TiN—SiC. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2022. Т. 16. No. 2. С. 22—37.

80. 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.

81. Воротыло С., Левашов Е.А., Потанин А.Ю., Логинов П.А., Швындина Н.В. Особенности синтеза керамических композитов, дискретно армированных углеродными волокнами и формирующимися в волне горения in situ волокнами карбида кремния. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020. No. 1. С. 41—54. DOI: 10.17073/1997-308X-2020-41-54.