Разработка научных и технологических основ получения керамических нитридно-карбидных нанопорошковых композиций AlN-SiC, TiN-SiC, Si3N4-TiC методом СВС с применением неорганических азидов и галоидных солей

Рассмотрены технологические и физико-химические основы получения перспективных керамических нитридо-карбидных композиций AlN-SiC, TiN-SiC и Si3N4-TiC методом азидного СВС. Методами термодинамического анализа исследована возможность протекания самораспространяющегося высокотемпературного синтеза нитридно-карбидных композиций AlN-SiC, TiN-SiC и Si3N4-TiC с применением азида натрия и галоидных солей азотируемых и карбидизируемых элементов. Исходя из результатов термодинамических расчетов и рентгенофазового анализа промежуточных и конечных продуктов горения, с учетом рассмотрения изобарно-изотермических потенциалов возможных химических реакций, составлена химическая стадийность образования исследуемых керамических композиций в процессе горения и остывания продуктов горения, объясняющая различие результатов термодинамических расчетов и экспериментального исследования. Экспериментально определены зависимости скорости и температуры горения от соотношения исходных компонентов в смеси, давления азота, закачиваемого в реактор, и относительной плотности исходной смеси. Показано, что при использовании метода азидного СВС удается синтезировать целевую керамическую нитридно-карбидную порошковую композицию AlN-SiC при горении систем «ySi–Al–NaN3–(NH4)2SiF6–(x+1)C» и «xSi–yAl–NaN3–AlF3–xC» и «xSi–yAl–NaN3–NH4F–xC» в виде равноосных частиц размером от 100 до 1 мкм, однако в состав промытых конденсированных продуктов синтеза, наряду с целевыми фазами AlN и SiC, также входит водонерастворимая примесь криолита Na3AlF6, причем в заметных количествах от 7,7 до 15,5 масс. %. При горении систем «Si-Ti-NaN3-(NH4)2TiF6-C», «Si-Ti-NaN3-(NH4)2SiF6-C», «Si-Ti-NaN3-Na2SiF6-C» получены композиции 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 %). При горении систем «Si–NaN3–(NH4)2TiF6–хC–(х-1)Ti» и «Si–NaN3–Na2SiF6–хC–хTi» удается синтезировать целевую керамическую нитридно-карбидную порошковую композицию Si3N4-TiC высокодисперсных субмикронных равноосных частиц размером от 100 нм до 500 нм и волокон диаметром от 70 до 150 нм. Однако в состав промытых конденсированных продуктов синтеза, наряду с целевыми фазами Si3N4 и TiC, также входит нитрид титана (TiN), причем в заметных количествах от 5,03 до 29,7 масс. %. При этом в продуктах горения отсутствует свободный титан, а свободный кремний наблюдается в небольшом количестве (до 1,9 %) и только в системах, содержащих менее 4 молей углерода, что является заметным достижением. Эти результаты расширяют физико-химические представления о применении процесса СВС для получения нитридно-карбидных композиций и будут полезны для ученых и специалистов в области металлургии и материаловедения, изучающих процессы СВС и технологии получения высокодисперсных керамических композитов.