Разработка научных и технологических основ получения керамических высокодисперсных нитридно-карбидных порошковых композиций заданного состава методом СВС с применением галоидных солей и азида натрия

Новая безоксидная керамика привлекает повышенное внимание исследователей из-за ее уникальных характеристик. В первую очередь, ее использование позволяет решить проблемы разрушения, интенсивного износа и коррозии при высокой температуре и сильном тепловом ударе. К числу признанных передовых керамических материалов относятся Si3N4, AlN, TiN, SiC и TiC. Изделия на основе композиций из них объединяют превосходные свойства двух материалов в одной структуре и перспективны для использования соответствующих керамических композитов с повышенными свойствами, меньшей хрупкостью, хорошей обрабатываемостью, меньшими температурами спекания по сравнению с однофазной керамикой из нитридов или карбидов. Но для получения требуемых характеристик необходимо контролировать соотношения фаз нитридов и карбидов в этих композитах. Поэтому большое внимание уделяется разработке способов получения композиций, которые могут обеспечить заданные определенные соотношения нитридных и карбидных фаз в композитах при их спекании из порошковых композиций. В настоящее время при изготовлении керамик переходят от микропорошков к высокодисперсным порошкам с размером менее 1 мкм, которые включают наноразмерные (1-100 нм) и субмикронные (0,1-1,0 мкм) порошки, так как неоднократно показано, что уменьшение размера порошков, и особенно переход к нанопорошкам и изготовление наноструктурной керамики может значительно улучшить ее свойства. Высококачественная композиционная нанокерамика может быть получена при спекании только однородной смеси нанопорошков, что практически недостижимо при механическом смешивании нанопорошков из-за их большой склонности к агломерации. Наночастицы слипаются, образуют пористые, достаточно прочные агрегаты, неоднородно распределяются среди наночастиц другой фазы, трудно уплотняются. Основная идея, которая определяет новизну настоящего исследования, заключается в разработке приемов обеспечения заданного состава порошковых нитридно-карбидных композиций при применении азидного СВС-Аз с заменой элементного порошка Si, Al, Ti на их прекурсоры - галоидные соли, которые разлагаются в волне горения, образуя элементные Si, Al и Ti и вступают в реакции азотирования и карбидизации в виде отдельных атомов, а не частиц микронных размеров конденсированного вещества. Использование порошка NaN3 в качестве азотирующего реагента позволяет при горении обеспечить азотом любое место смеси исходных реагентов и избавиться от фильтрационных затруднений. В результате этого приема удается уменьшить частицы синтезируемых методом азидного СВС нитридов и карбидов 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 высокой стоимости нанопорошков нитридов и карбидов, получить значительно более дешевые нанопорошки по сравнению с плазмохимическим синтезом, где цена нанопорошков составляет в среднем 150 тыс. руб. за 1 кг. Но наш опыт показал, что применение технологии СВС-Аз позволяет синтезировать высокодисперсные (менее 1 мкм) композиции AlN-SiC, TiN-SiC и Si3N4-TiC, однако в большинстве случаев количество синтезируемой в экспериментах керамической фазы SiC или TiC оказывается значительно ниже теоретического количества или даже может отсутствовать совсем. Кроме того, в случае синтеза композиций с AlN не удается исключить образование побочной трудноудалимой соли Na3AlF6. В итоге метод СВС-Аз в существующем виде не позволяет получить нитридно-карбидные композиции заданного теоретического состава и необходима доработка этого метода. Таким образом, представляет несомненный интерес исследование возможности применения метода азидного СВС для получения относительно недорогих нанопорошковых нитридно-карбидных композиции с разработкой специальных приемов обеспечения заданного теоретического состава композиций.