Самораспространяющийся высокотемпературный синтез керамической нитридно-карбидной нанопорошковой композиции Si3N4-SiC с применением азида натрия и различных галоидных солей

Рассмотрены технологические и физико-химические основы получения перспективной высокодисперсной порошковой нитридно-карбидной композиции Si3N4-SiC при сжигании смеси азида натрия (NaN3) с элементными порошками кремния (Si) и сажи (C) и различными галоидными солями ((NH4)2SiF6, Na2SiF6, NH4F) в атмосфере азота. Методами термодинамического анализа исследована возможность протекания самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) нитридно-карбидной композиции Si3N4-SiC. 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 керамической композиции Si3N4-SiC 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. Показано, что при использовании метода азидного СВС удается синтезировать целевую керамическую нитридно-карбидную порошковую композицию Si3N4-SiC при горении систем «Si–NaN3–(NH4)2SiF6–C», «Si–NaN3–Na2SiF6–C», «Si–NaN3–NH4F–C». Показано, что после водной промывки порошкообразный продукт горения состоит из нитрида кремния двух модификаций (α-Si3N4 и β-Si3N4) с преимущественным содержанием α-Si3N4, карбида кремния (β-SiC) в количестве от 1,6 до 41,8 % и незначительного количества свободного кремния (Si). В большинстве случаев полученная нитридно-карбидная композиция Si3N4-SiC представляет собой смесь субмикронных (0,1-0,5 мкм) волокон и равноосных частиц, перспективную для спекания при меньших температурах соответствующих конструкционных композиционных керамических материалов с повышенными механическими свойствами. Полученные композиционные порошки Si3N4-SiC отличаются от синтезированных ранее с применением процесса горения как более высокой дисперсностью, так и большим содержанием α-Si3N4, в связи, с чем перспективны для использования при изготовлении композиционных керамических материалов с повышенными свойствами при меньших температурах спекания. Но для этого необходима доработка процесса азидного СВС композиции высокодисперсных порошков Si3N4-SiC в отношении технологических изменений для приближения к расчетному составу композиции и уменьшения содержания примеси свободного кремния в ней. Полученные 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 композитов на их основе. Разработаны практические рекомендации по организации технологического процесса производства высокодисперсной порошковой нитридно-карбидной композиции Si3N4-SiC методом азидного СВС в условиях универсальной опытно-промышленной установки СВС-Аз.