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

Композиты Si3N4–SiC обладают превосходными механическими свойствами по сравнению с однофазным нитридом кремния и интенсивно изучаются для высокотемпературных применений как в компактном виде для изготовления деталей различного назначения, так и в пористом виде для изготовления фильтров, носителей катализаторов и мембран различного назначения.Обычно композиты Si3N4–SiC получают “ex-situ” механическим смешиванием порошков Si3N4 и SiC с последующим компактированием методами спекания без давления, горячего прессования, горячего изостатического прессования, искрового плазменного спекания, микроволнового спекания. При этом возникает проблема получения однородного беспористого композита, так как порошки Si3N4 и SiC плохо смешиваются, особенно в форме волокон. Для увеличения однородности смеси порошков используют подход “in-situ”, когда смесь порошков Si3N4–SiC синтезируют из исходных реагентов методами пиролиза органических прекурсоров, плазмохимического синтеза, химического осаждения покрытий, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Метод СВС основан на горении смесей исходных реагентов и выгодно отличается простотой и энергосбережением, что важно для организации экономически оправданного промышленного производства. Исследовано применение в качестве исходных компонентов порошков Si и C (и Si3N4) при сжигании их в атмосфере газообразного азота. Показано, что полученные в результате СВС смеси порошков Si3N4 и SiC микронных размеров, хотя и могут содержать небольшие примеси исходных реагентов и побочных соединений, но обладают лучшей однородностью и спекаемостью, и обеспечивают повышенные механические свойства спеченным образцам по сравнению с образцами того же состава, спеченными из механически смешанных порошков Si3N4 и SiC микронных размеров. Основная идея, которая определила и новизну настоящего проекта, заключается в применении так называемого азидного СВС с заменой элементного порошка кремния (Si) на его прекурсоры, то есть различные галоидные соли кремния, которые разлагаются в волне горения и элемент Si вступает в реакции азотирования и карбидизации в виде отдельных атомов, а не частиц микронных размеров конденсированного вещества. Использование порошка азида натрия NaN3 в качестве азотирующего реагента позволяет при горении обеспечить азотом любое место смеси исходных реагентов и уйти от фильтрационных затруднений. В результате этого приема удается уменьшить размер синтезируемых по азидному СВС нитридов и карбидов кремния до наноразмерного уровня. Кроме того, в случае синтеза нитридно-карбидных композиций нахождение пpoдуктoв pеакций в паpo- и газooбpазном состоянии позволяет им быстро и однородно смешиваться, что недостижимо при механическом смешивании приготовленных заранее нанопорошков. Таким образом удается также решить проблему дороговизны нанопорошков нитридов и карбидов, получить значительно (практически на порядок) более дешевые нанопорошки, так как самым дорогим исходным реагентом в азидном СВС является азид натрия со стоимостью 7-8 тыс. руб. за 1 кг при минимальных затратах электроэнергии и простом малогабаритном оборудовании по сравнению с плазмохимическим синтезом, где цена нанопорошков нитридов и карбидов составляет в среднем 150 тыс. руб. за 1 кг. Высокие скорости нагрева и охлаждения при горении приводят к высокой дефектности наноразмерных продуктов горения Si3N4–SiC, что улучшает их спекаемость и прочность спеченных изделий, а также служебные характеристики мембран из этих продуктов. Таким образом, представляет несомненный интерес исследование возможности применения метода азидного СВС для получения относительно недорогой нанопорошковой композиции Si3N4-SiC с целью последующего применения при изготовлении компактных и пористых изделий, в том числе мембран различного назначения, с повышенными служебными характеристиками.