Исследование и разработка технологических процессов металлотермического получения наноразмерных порошков тугоплавких редких металлов IV - VI групп и функциональных материалов на их основе

Объектом исследования являются процессы восстановления оксидных соединений тугоплавких металлов IV-VI группы магнием и кальцием, характеристики порошков, полученных металлотермическим восстановлением, а также методы синтеза на основе полученных порошков функциональных материалов, в частности нитридов, карбидов и высокоемких танталовых конденсаторных порошков. Цель работы – исследование пористой структуры порошков ниобия и тантала, полученных восстановлением их оксидных соединений парами магния при температуре ниже 680 °С и парами кальция в интервале температуры 750-850 °С; процесса восстановления оксидных соединений титана и циркония кальцием; оксидных соединений тугоплавких металлов VI группы парами магния и кальция; синтез порошков карбидов молибдена и тантала с использованием в качестве прекурсора металлотермических порошков этих металлов, а источника углерода паров органических жидкостей; исследование условий синтеза нитридов на основе металлотермических порошков; совершенствование отдельных операций в технологии высокоемких танталовых конденсаторных порошков. Установлены и объяснены особенности изменения удельной поверхности порошков, полученных восстановлением оксидных соединений тантала и ниобия, при снижении температуры процесса с 700 до 540 °С. Впервые систематически исследована пористая структура порошков, полученных восстановлением оксидных соединений тантала парами кальция в интервале температуры 750-850 °С. Исследован процесс восстановления шихты, представляющей смесь оксидного соединения титана (TiO2, CaTiO3) или циркония (ZrO2, CaZrO3) с гранулами кальция, в интервале температуры 700-850 °С. При использовании гранул кальция, активированных нанесенной на их поверхность пленкой CaCl2, при температуре восстановления 700-750 °С, что ниже общепринятой на 300-400 °С, получены порошки с содержанием циркония общего 98-99 %. Выполнены исследования по синтезу сложных оксидных соединений, используемых в качестве прекурсоров при получении порошков металлов IV группы и порошков сплавов металлов VI группы: CaTiO3, MgTiO3, Mg2TiO4, WхMo(1-х)O3 и Cr2(MoO4)3. При восстановлении соединений WO3, MoO3, MgWO4, MgMoO4 и CaMoO4 парами кальция подтвержден обнаруженный ранее при восстановлении парами магния эффект пространственного разделения металлической и оксидной фаз в продуктах реакций, заключающийся в расположении побочного продукта – оксида металла-восстановителя вне реакционной зоны. Получены порошки хрома восстановлением оксидных соединений Cr2O3 и MgCr2O4 парами кальция и магния. Использование в качестве прекурсора хромата MgCr2O4 позволило увеличить удельную поверхность порошков хрома до 20-36 м2/г, что в 4–8 раз превышает таковую у порошков, полученных восстановлением Cr2O3 в аналогичных условиях. Показана возможность получения порошков сплава W-Mо с большой удельной поверхностью непосредственно в ходе восстановления парами магния соединений MgWхМо(1-х)O4, CaWхМо(1-х)O4. Удельная поверхность полученных порошков сплава 17-20 м2/г. Выполнены исследования по синтезу карбидов тугоплавких металлов V-VI групп в интервале температуры 700-900 °С при использовании в качестве прекурсоров мезопористых порошков металлов, а в качестве источника углерода паров органических жидкостей: этанола, ацетона и толуола. Синтезированы монометаллические карбиды Mo2C, W2C, WC и биметаллический карбид (Mo,W)2C, имеющие гексагональную кристаллическую структуру. Из порошка тантала в присутствии in situ раскислителя (металлического магния) получены карбиды тантала TaC, Ta4C3 и Ta2C. Изложены результаты исследования условий синтеза нитридов тугоплавких металлов IV-VI групп. Показана перспективность аммонолиза металлотермических порошков Ti и W для получения нитридов этих металлов. Использование в качестве прекурсора для аммонолиза вольфрамата магния MgWO4 вместо WО3 позволяет более чем 2 раза увеличить удельную поверхность порошков нитридов вольфрама. Продуктом синтеза нитридов ниобия и тантала в процессе кальциетермического восстановления оксидных соединений этих металлов с последующей высокотемпературной выдержкой в атмосфере азота является порошок с мезопористой структурой, содержащий металлическую и нитридные фазы разного состава. Продолжены исследования по совершенствованию технологии высокоемких магниетермических порошков. Показано влияние генезиса пентаоксида тантала на его морфологические особенности, характеристики порошков тантала, полученных магниетермическим восстановлением, и, соответственно, изготовленных из этих порошков анодов конденсаторов. Оптимизированы режимы восстановления Та2О5 на модельной установке и модификации характеристик порошков тантала. Изготовлены и прошли технологическое опробование опытные партии конденсаторных порошков с удельным зарядом 80000-120000 мкКл/г. Разработаны технические условия на эти порошки.