Способ получения кубического нитрида бора

Авторы патента:

Изобретение предназначено для инструментальной промышленности. Готовят шихту из гексагонального BN, кристаллов кубического BN и добавки, активизирующей процесс, например, порошка Mg, обработанного раствором семиводного сернокислого железа. Массовое отношение гексагонального BN и добавки 75:25. Содержание кубического BN 4,4-22,0 мас.%, зернистость 80/63. На шихту воздействуют высокими давлением и температурой в области термодинамической стабильности кубического BN. Изобретение позволяет увеличить выход кубического BN на 6-28% и повысить содержание кристаллов узкого диапазона зернистостей (1-3 смежных зернистостей) до 40-56 мас.%. 1 табл.

Изобретение относится к способам получения (синтеза) кубического нитрида бора (КНБ) в виде кристаллов при высоких давлении и температуре в области термодинамической стабильности КНБ и может быть использовано преимущественно в инструментальной отрасли промышленности.

Известны различные способы получения кубического нитрида бора в виде кристаллов при высоких давлении и температуре в области его термодинамической стабильности (Синтетические сверхтвердые материалы: В 3-х т. Т.1. Синтез сверхтвердых материалов / Отв. ред. Н.В.Новиков. - Киев: Наукова думка, 1986. - 280 с.).

Общими признаками получения кристаллов КНБ по указанным выше способам является:

- приготовление шихты для получения кристаллов КНБ, которая содержит соединения или вещества, в состав которых входят бор и азот. На практике наиболее часто в качестве указанных соединений используют гексагональный нитрид бора. Для снижения давления и температуры, при которых происходит образования из исходных компонентов шихты кристаллов КНБ, а также для получения кристаллов с необходимыми физико-механическими и другими специальными характеристиками, в шихту дополнительно вводят различные добавки, которые активизируют процесс;

- размещение шихты в реакционной ячейке аппарата высокого давления (АВД) и создание в шихте высоких давления и температуры, которые соответствуют области термодинамической стабильности КНБ. При указанных давлении и температуре шихту выдерживают заданное время, на протяжении которого происходит зарождение и рост кристаллов КНБ;

- после завершения процесса синтеза кристаллов КНБ в реакционной ячейке АВД сначала снижают температуру, а затем давление и извлекают из нее шихту с кристаллами, которые образовались. После этого в реакционной ячейке АВД размещают новую партию шихты и цикл получения КНБ повторяют;

- для выделения из шихты кристаллов КНБ ее подвергают специальной обработке. Выделенные кристаллы разделяют на отдельные группы по размерам и по форме, а при необходимости, в зависимости от дальнейшего назначения кристаллов, и по другим характеристикам, таким как содержание примесей, теплопроводность, электропроводность и другие.

Следует отметить, что вследствие конструктивных особенностей АВД, которые применяют при получении кристаллов КНБ, в реакционных ячейках создаются неоднородные поля давления и, в особенности, температуры (Borimsky A.I., Volkov V.В., Nagorny P.A. High pressure cell heaters for diamond synthesis // Proc. of the 3rd Intern. Symp. "High Pressure Chemical Engineering", Zurich, Switzerland, 7-9 Octob., 1996. - Elsevier: Amsterdam - Lausanne - New York - Oxford - Shannon - Tokyo, 1996. - P.651-654). Вследствие этого кристаллы КНБ образуются только в той части объема ячейки, в котором давление и температура соответствуют области термодинамической стабильности КНБ. В результате уменьшается выход кристаллов КНБ в каждом рабочем цикле, так как кристаллы образуются только в части объема ячейки, что ухудшает технико-экономические показатели процесса.

Следует отметить, что при получении кристаллов КНБ по указанным выше способам после создания в шихте высоких давления и температуры происходит вначале зарождение кристаллов, а затем их рост.

Известны также способы получения кристаллов КНБ, при которых кристаллы КНБ в определенном количестве предварительно вводят в шихту. При этом возможно осуществлять процесс таким образом, что при синтезе будет происходить только рост кристаллов, введенных в шихту (акцептованная заявка Японии №62-59969, МКИ 4 В 01 J 3/06, 1983). Такие способы малопроизводительны и поэтому не нашли широкого использования на практике.

Более производительным по сравнению с рассмотренными выше является способ получения кристаллов КНБ, принятый нами за прототип, путем действия высокими давлением и температурой в области его термодинамической стабильности на шихту, в которую вводят компоненты, которые содержат бор и азот, в том числе в виде кристаллов КНБ, и активирующую процесс добавку, при использовании которой происходит как рост введенных в шихту кристаллов, так и зарождение и рост новых кристаллов (см. патент RU №2159736, МПК 7 С 01 В 21/06, 31/06, опубл. 27.11.2000 г.). Применение указанного способа, в соответствии с которым в шихту вводят от 1 до 4% (по массе) кристаллов КНБ, позволяет увеличить в каждом рабочем цикле как выход (массу) получаемого при синтезе кубического нитрида бора, так и содержание в продукте синтеза кристаллов узкого диапазона зернистостей, который включает 1-3 смежные зернистости.

Как показали проведенные нами эксперименты, при использовании способа по прототипу (при экспериментах нами применялись состав шихты и реакционные ячейки, аналогичные описанным в патенте) кристаллы КНБ образовывались только в той части объема реакционной ячейки, который находился в области термодинамической стабильности КНБ, как и при использовании шихты других известных составов. При этом при введении в шихту кристаллов КНБ в количестве 1...4% от ее массы взаимное расположение кристаллов в шихте после синтеза было недостаточно плотным. В результате недостаточно эффективно использовались как шихта, так и объем реакционной ячейки, что уменьшало выход кристаллов КНБ при синтезе, в том числе узкого диапазона зернистостей, который возможно достичь без ухудшения качества кристаллов, и снижало технико-экономические показатели процесса их получения.

В основу изобретения положена задача такого усовершенствования способа получения кристаллов КНБ, при котором за счет проведения процесса с предложенным содержанием кристаллов КНБ, введенных в шихту, обеспечивается увеличение выхода кристаллов КНБ при синтезе, а также повышается содержание в продукте синтеза кристаллов узкого диапазона зернистостей (1-3 смежные зернистости, которые включают зернистость, содержание которой в получаемом целевом продукте является максимальным). При определении выхода кристаллов КНБ при реализации предлагаемого способа мы учитывали только массу дополнительно полученных кристаллов КНБ без учета массы кристаллов, введенных в шихту, что логично.

Указанная задача решается благодаря тому, что в способе получения КНБ, включающем воздействие высокими давлением и температурой в области его стабильности на шихту, в которую вводят компоненты, содержащие бор и азот, в том числе в виде кристаллов КНБ, и добавки, активизирующие процесс, согласно изобретению содержание кристаллов КНБ, вводимых в шихту, составляет 4,4...22,0% от ее массы.

Как показали проведенные нами многочисленные эксперименты, при указанном выше количестве введенных в шихту кристаллов КНБ повышается плотность заполнения реакционной ячейки кристаллами, образующимися при синтезе. При этом введенные кристаллы не препятствуют зарождению и дальнейшему росту новых кристаллов, которые образуются в условиях высоких давления и температуры. В результате достигается как повышение выхода КНБ, так и увеличение содержания в продукте синтеза кристаллов узкого диапазона зернистостей. Достижению положительного эффекта способствует также уменьшение перепада температуры в реакционной ячейке, что имеет место при указанном количестве введенных в шихту кристаллов КНБ благодаря их высокой теплопроводности. В результате увеличивается объем ячейки, в котором происходит зарождение и рост новых кристаллов. Кроме того, увеличению выхода кристаллов КНБ способствует повышение давления в реакционной ячейке благодаря увеличению в ее объеме массы кристаллов с высоким модулем упругости. С увеличением содержания в шихте кристаллов КНБ перепад температуры в реакционной ячейке уменьшается, а давление в ячейке повышается.

Следует отметить, что указанный выше положительный эффект при использовании предлагаемого способа в сравнении с прототипом достигается при условии, что способы отличаются только содержанием кристаллов КНБ, которые вводят в шихту.

Предлагаемый способ получения КНБ осуществляют следующим образом. Изготавливают шихту для получения КНБ путем смешивания компонентов, которые содержат бор и азот, в том числе кристаллы КНБ, и добавок, которые активизируют процесс синтеза. При изготовлении шихты в качестве компонентов, содержащих бор и азот, эффективно использовать смесь порошка гексагонального нитрида бора и кристаллов кубического нитрида бора. Затем в реакционной ячейке АВД размещают полученную шихту, масса которой определяется объемом ячейки, после чего ячейку с размещенной в ней шихтой подвергают воздействию высокими давлением и температурой, соответствующими области термодинамической стабильности КНБ. Шихту выдерживают при указанных условиях на протяжении времени, необходимого для получения кристаллов КНБ с заданными характеристиками. После окончания процесса синтеза снижают температуру и давление в ячейке и извлекают шихту, которая содержит кристаллы КНБ. Далее, используя известные методы, выделяют из шихты кристаллы КНБ и разделяют их по размерам (зернистости), форме, а также по другим характеристикам в зависимости от области их дальнейшего использования.

Ниже приведены примеры получения кристаллов КНБ с использованием предлагаемого способа.

Пример 1. Готовят шихту путем смешивания в смесителе порошка гексагонального нитрида бора, кристаллов КНБ зернистостью 80/63 и добавки, которая активизирует процесс. Как добавку используют порошок магния, обработанный раствором семиводного сернокислого железа. Соотношение между содержанием в шихте гексагонального нитрида бора и добавки, которая активизирует процесс, составляет 75:25 (по массе). Содержание в шихте порошка КНБ составляет 4,4% (по массе). Затем из шихты прессованием изготовляют образцы, каждый из которых имеет форму цилиндра с отверстием, расположенным вдоль его оси. Размеры образцов согласовывают с соответствующими размерами реакционной ячейки АВД. При экспериментах применялись АВД типа наковальни с углублениями. Для получения кристаллов КНБ образец устанавливают в отверстие реакционной ячейки АВД, размещают в отверстии образца нагреватель из графита в форме цилиндра и устанавливают полученную таким образом сборку в полость высокого давления АВД. Затем в реакционной ячейке АВД создают давление 4,2-4,5 ГПа, после чего через нагреватель пропускают электрический ток, нагревая при этом шихту до температуры синтеза, которая соответствует области стабильности КНБ. При указанной температуре шихту выдерживают на протяжении 420 с (время синтеза), после чего последовательно выключают электрический ток, снижают давление в АВД, извлекают из реакционной ячейки образец, содержащий кристаллы КНБ, выделяют из образца кристаллы КНБ и разделяют их по зернистости, форме, а также другим характеристикам в зависимости от назначения кристаллов. Полученные при синтезе результаты представлены в таблице. При этом максимальное содержание в продукте синтеза кристаллов соответствовало зернистости 125/100, а содержание кристаллов узкого диапазона зернистостей (160/125, 125/100 и 100/80) составляло 53% (по массе).

Пример 2. Выполняют те же операции, что и в примере 1, с тем отличием, что в шихту вводят кристаллы КНБ зернистостью 80/63 в количестве 9% от ее массы. Полученные при синтезе результаты представлены в таблице. При этом максимальное содержание в продукте синтеза кристаллов соответствовало зернистости 125/100, а содержание кристаллов узкого диапазона зернистостей (160/125 и 125/100 и 100/80) составляло 46% (по массе).

Пример 3. Выполняют те же операции, что и в примере 1, с тем отличием, что в шихту вводят кристаллы КНБ зернистостью 80/63 в количестве 22% от ее массы. Полученные при синтезе результаты представлены в таблице. При этом максимальное содержание в продукте синтеза кристаллов соответствовало зернистости 125/100, а содержание кристаллов узкого диапазона зернистостей (160/125, 125/100 и 100/80) составляло 40% (по массе).

Пример 4. Выполняют те же операции, что и в примере 1, с тем отличием, что в шихту вводят кристаллы КНБ зернистостью 80/63 в количестве 28% от ее массы. Полученные при синтезе результаты представлены в таблице. При этом максимальное содержание в продукте синтеза кристаллов соответствовало зернистости 125/100, а содержание кристаллов узкого диапазона зернистостей (160/125, 125/100 и 100/80) составляло 34% (по массе).

Пример 5. Выполняют те же операции, что и в примере 1, с тем отличием, что в шихту вводят кристаллы КНБ зернистостью 80/63 в количестве 5% от ее массы и кристаллы КНБ зернистостью 100/80 в количестве 5% от ее массы. Полученные при синтезе результаты представлены в таблице. При этом максимальное содержание в продукте синтеза кристаллов соответствовало зернистости 160/125, а содержание кристаллов узкого диапазона зернистостей (200/160, 160/125 и 125/100) составляло 42% (по массе).

Пример 6. Способ по прототипу. Выполняют те же операции, на том же оборудовании, что и в примере 1, с тем отличием, что в шихту вводят кристаллы КНБ зернистостью 80/63 в количестве 3% от ее массы. Полученные при синтезе результаты представлены в таблице. При этом максимальное содержание в продукте синтеза кристаллов соответствовало зернистости 125/100, а содержание зернистостей узкого диапазона (160/125,125/100 и 100/80) составляло 36% (по массе).

Пример 7. Способ по прототипу. Выполняют те же операции, что и в примере 1, с тем отличием, что в шихту вводят кристаллы КНБ зернистостью 80/63 в количестве 1,5% от ее массы и кристаллы КНБ зернистостью 100/80 в количестве 1,5% от ее массы. Результаты представлены в таблице. При этом максимальное содержание в продукте синтеза кристаллов соответствовало зернистости 160/125, а содержание кристаллов узкого диапазона зернистостей (200/160, 160/125 и 125/100) составляло 32% (по массе).

Как видно из результатов проведенных испытаний, предлагаемый способ получения кристаллов КНБ дает возможность увеличить выход кристаллов при одновременном увеличении в целевом продукте, который получают, содержания кристаллов узкого диапазона зернистостей (1-3 смежные зернистости). Результаты испытаний сведены в таблицу.

Формула изобретения

Способ получения кубического нитрида бора, включающий воздействие высокими давлением и температурой в области его термодинамической стабильности на шихту, в которую вводят компоненты, содержащие бор и азот, в том числе в виде кристаллов кубического нитрида бора и добавки, активизирующие процесс, отличающийся тем, что содержание кристаллов кубического нитрида бора, вводимых в шихту, составляет 4,4÷22,0% от ее массы.

Способ получения кубического нитрида бора повышенной прочности // 2229434

Изобретение относится к методам получения высокотвердых материалов, а именно к синтезу кубического нитрида бора, применяемого для изготовления абразивного инструмента на органических, керамических и металлических связках, а также для изготовления лезвийного инструмента

Способ получения нитрида бора // 2228292

Изобретение относится к металлургии тугоплавких соединений, в частности к получению нитрида бора

Способ получения кристаллов кубического нитрида бора (кнб) // 2216611

Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов, в частности кристаллов КНБ, которые могут быть использованы в инструментальной и металлообрабатывающей промышленностях

Способ очистки кубического нитрида бора // 2216509

Изобретение относится к получению сверхтвердых материалов и касается очистки кубического нитрида бора от гексагонального графитоподобного нитрида бора в процессе его получения

Способ получения твердофазных наноструктурированных материалов // 2179526

Изобретение относится к области химической технологии получения твердофазных наноструктурированных материалов, а именно к способу получения наноструктур (в том числе нанотрубок) из углерода, нитрида углерода, нитрида бора, карбидов металлов и т

Способ изготовления пластин и/или листов фольги анизотропного пиролитического нитрида бора, лист фольги, изготовленный этим способом, изделие из анизотропного пиролитического нитрида бора в виде пакета пластин и/или листов фольги и способ его получения // 2179204

Изобретение относится к технологии изготовления изделий из высокотемпературных диэлектрических, электроизоляционных материалов и технологии их получения методом химического осаждения из газовой фазы для изготовления различных деталей для СВЧ-техники и интегральных микросхем

Пиролитический ромбоэдрический нитрид бора и способ его получения // 2167224

Изобретение относится к тугоплавким соединениям, а именно пиролитическому ромбоэдрическому нитриду бора и технологии его получения методом химического осаждения из газовой фазы

Способ получения графитоподобного нитрида бора // 2163562

Изобретение относится к области неорганической химии и синтеза тугоплавких неорганических соединений, в частности к способам получения порошка нитрида бора графитоподобной структуры, который может быть использован в качестве твердой смазки, как добавка к смазочным маслам, как антифрикционный материал, как добавка к косметическим средствам и в других областях, характерных для использования нитрида бора

Способ получения пиролитического нитрида бора // 2160224

Способ изготовления поликристаллического сверхтвердого материала // 2258101

Изобретение относится к способам получения поликристаллических сверхтвердых материалов (СТМ) на основе плотных модификаций нитрида бора - кубического (КНБ) и вюрцитоподобного (ВНБ), которые могут быть использованы в качестве материалов для деталей аппаратов высокого давления, а также в инструментах для обработки различного рода износостойких материалов, в первую очередь при точении термообработанных сталей, серых и высокопрочных чугунов, никелевых сплавов, износостойких наплавок, вольфрамосодержащих твердых сплавов, железобетона, камня, пластмасс

Способ получения нитрида бора графитоподобной гексагональной структуры // 2266865

Изобретение относится к способам получения нитрида бора графитоподобной гексагональной структуры с индексом графитации "g"=1,7-2,5, который может быть использован для получения сверхтвердых кристаллических модификаций нитрида бора, в частности эльбора

Способ получения кубического нитрида бора // 2288889

Изобретение относится к производству искусственных высокотвердых материалов, а именно к синтезу кубического нитрида бора, применяемого для изготовления абразивных инструментов на различных связках, а также лезвийного инструмента для металлообработки и гексагонального нитрида бора, используемого для синтеза кубического нитрида бора, в качестве высокотемпературной смазки, теплоизоляции, в косметических целях и т.д

Способ получения кубического нитрида бора, обладающего световой эмиссией // 2394757

Изобретение относится к получению материалов, способных интенсивно излучать свет в широком диапазоне спектра под воздействием фото-, электронного иэлектровозбуждения, стабильно в условиях высоких температур, радиации и химически агрессивных средах

Обладающие покрытием абразивные материалы и способ их изготовления // 2409605

Способ получения поликристаллического кубического нитрида бора // 2412111

Изобретение относится к области получения синтетических сверхтвердых материалов, в частности поликристаллического кубического нитрида бора, в условиях высоких давлений и температур для использования в химической, инструментальной, электронной и ряде других отраслей промышленности

Способ получения растворимого гексагонального нитрида бора // 2478077

Изобретение относится к коллоидным растворам различных наноформ гексагонального нитрида бора (h-BN) в жидких средах, а именно к получению гексагонального нитрида бора h-BN, растворимого в воде и полярных растворителях

Способ получения нанодисперсных порошков нитрида бора и диборида титана // 2523471

Изобретение относится к области получения нанодисперсных порошков неорганических материалов и соединений. Плазмохимические реакции инициируют импульсным микроволновым разрядом, воздействующим на исходные реагенты, в качестве которых используют смесь порошков титана и бора в атмосфере азота, при этом в качестве исходных реагентов используют порошок аморфного бора с размером частиц 1 мкм-100 мкм и порошок титана с размером частиц 1 мкм-100 мкм, причем используется микроволновой разряд мощностью от 50 кВт до 500 кВт и длительностью импульса от 100·10-6 с до 100·10-3 с, а рабочее давление азота составляет от 0,1 до 1 атмосферы. В результате протекания плазмохимических реакций совместно образуются два целевых продукта - нанодисперсные порошки диборида титана и нитрида бора различных форм и размеров. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Способ получения покрытий из нанолистов нитрида бора // 2613996

Изобретение относится к области получения покрытий, содержащих двумерные керамические структуры, а именно нанолисты гексагонального нитрида бора, имеющие толщину 1-10 нм и характерный линейный размер от 100 нм до 5 мкм, которые могут применяться в качестве носителя катализаторов, а также для придания поверхности гидрофобных свойств. Сущность изобретения состоит в том, что приготавливают реакционную смесь, состоящую из борной кислоты и катализатора, в качестве которого используют нитрат натрия, или калия, или магния, или стронция, взятых в количествах, обеспечивающих соотношение катионов B/Me в диапазоне 0,5-5, где Me=Na, или K, или Mg, или Sr, нанесение реакционной смеси на поверхность в виде слоя толщиной от 0,1 до 0,5 мм и термообработку в атмосфере аммиака при температуре в интервале от 900°C до 1100°C. Технический результат изобретения заключается в получении равномерных покрытий из нанолистов гексагонального нитрида бора на внутренних поверхностях, а также на поверхностях изделий сложной формы. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.

Способ получения нанопористого нитрида бора // 2614007

Изобретение относится к способам получения нанопористых керамических материалов, в частности из нитрида бора, применяемых для очистки газов или жидкостей от вредных примесей, а также для сорбции и хранения водорода. Сущность изобретения состоит в том, что готовят реакционную смесь из борной кислоты и нитрата магния, взятых в количестве, обеспечивающем соотношение катионов B/Mg в диапазоне 5-20, путем растворения в дистиллированной воде, а затем проводят термообработку реакционной смеси в аммиаке при температуре от 800°C до 1200°C. Изобретение позволяет получать нитрид бора с высокой удельной поверхностью (до 1600 м2 /г) и размером пор в диапазоне от 2 до 100 нм. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 пр.