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

Порошки тугоплавких нитридных (AlN, Si3N4, TiN) и карбидных (SiC, TiC) соединений широко применяются для изготовления неоксидной конструкционной керамики с малым весом, высокой твердостью, износостойкостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью. Традиционно такую керамику получают реакционным спеканием или горячим прессованием порошков. Но однофазная керамика из отдельных тугоплавких соединений может плохо спекаться, плохо обрабатываться, быть слишком хрупкой, иметь большой коэффициент трения и т.д. Для решения этих проблем используются несколько подходов.Во-первых, применяется композиционная керамика из нескольких фаз. Например, добавление частиц карбида титана к нитриду кремния способствует повышению твердости и вязкости разрушения (твердость композитов Si3N4-5%TiC составляет 17 ГПа, вязкость разрушения 6,5 МПа•м1/2). Такие композиты используются для производства режущих инструментов и износостойких деталей, а также керамики с улучшенными теплопроводностью и электропроводностью. Для получения плотной керамики с высокими диэлектрическими свойствами в AlN добавляется SiC. Композиция AlN-SiC обладает повышенной прочностью на изгиб с увеличением содержания SiC, а максимальная прочность на изгиб наблюдается в композите AlN-30%SiC. Введение TiN в матрицу SiC можно получить композит SiC-TiN с повышенными прочностью на изгиб и ударной вязкостью.Во-вторых, используется переход к наноструктурной керамике, так как неоднократно показано, что уменьшение размера порошков, переход к нанопорошкам и изготовление наноструктурной керамики может значительно улучшить свойства керамики.В-третьих, применяется in-situ процесс получения композиционной керамики путем проведения химического синтеза нитридных и карбидных наночастиц в объеме композита, так как известно, что полученные заранее очень мелкие частицы различных фаз не могут быть равномерно распределены в объеме композита путем механического смешивания порошков (ex-situ процесс). Кроме того, нанопорошки обладают высокой стоимостью, а применение in-situ процесса позволяет получать их из значительно более дешевых реагентов. Одним из перспективных in-situ процессов является процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) самых разнообразных тугоплавких соединений, в том числе нитридов и карбидов. Процесс СВС привлекателен своей простотой и экономичностью, и предоставляет большие возможности по регулированию дисперсности и структуры синтезируемых керамических порошков, доведению их до наноразмерного уровня. В частности, при синтезе нитридов такие возможности реализуются в азидном процессе СВС, обозначаемом как СВС-Аз, в котором в качестве азотирующего реагента используется не газообразный азот, а порошок азида натрия NaN3, а также галоидные соли. Накоплен успешный опыт применения процесса азидного СВС для получения нанопорошков нитридных композиций TiN-BN, AlN-BN, Si3N4-TiN с использованием прекурсоров – галоидных солей обоих азотируемых элементов. Известны также положительные результаты исследований по применению процесса СВС для получения нанопорошков карбидов.В настоящем проекте этот опыт будет использован для разработки научных основ нового простого ресурсосберегающего одностадийного in-situ метода азидного СВС перспективных керамических нитридно-карбидных нанопорошковых композиций AlN-SiC, Si3N4-TiC и SiC-TiN с ис-пользованием прекурсоров – галоидных солей азотируемых и карбидизируемых элементов. Этот новый метод важен как с технической точки зрения получения равномерной смеси наноразмерных компонентов, что практически недостижимо при механическом смешивании нанопорошковых компонентов, так и с экономической точки зрения вследствие значительно меньшей стоимости порошков прекурсоров по сравнению с высокой стоимостью готовых нанопорошков, используемых при механическом смешивании композиций. Сложность исследования заключается в том, что даже в случае получения композиций нитридов двух элементов достаточно трудно (Si3N4-TiN, Si3N4-BN, BN-TiN), а иногда и невозможно (AlN-ВN-Na3AlF6, AlN-TiN-Na3AlF6, Si3N4-AlN-Na3AlF6-Si), найти условия образования чистой двухфазной композиции без примесей побочных фаз. Эта сложность значительно возрастает в случае синтеза композиций нитрид-карбид, где в реагентах появляется еще один элемент – углерод.Синтезированные композиционные нанопорошки AlN-SiC, Si3N4-TiC и SiC-TiN перспективны для использования при спекании соответствующих композиционных керамических наноструктурных материалов 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.