Способ получения нитридов металлов
Владельцы патента RU 2355631:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение может быть использовано для изготовления керамических и композиционных материалов. Экзотермическую смесь, состоящую из оксида азотируемого металла и энергетической составляющей, воспламеняют на воздухе при атмосферном давлении. В качестве энергетической добавки используют нанопорошок алюминия. В качестве оксида азотируемого металла используют TiO2 или ZrO2 в количестве 60-80 мольн.%. Изобретение позволяет упростить технологию и удешевить получаемую продукцию. 2 табл.
Изобретение относится к области порошковой технологии, а именно к получению материалов, содержащих нитриды металлов, и может найти применение при изготовлении керамических и композиционных материалов и дисперсно-упрочненных изделий.
Известен способ [Патент РФ №2083487, МПК С01В 21/06, опубл. 10.07.1997] получения нитридов металлов, включающий подачу в реактор порошка металла и азота под давлением 0,1-5,0 МПа с последующим воспламенением.
Недостатком этого способа является использование специального оборудования, что усложняет технологию. Кроме того, в данном способе используется чистый азот под высоким давлением, что удорожает получаемый продукт.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения нитридов металлов [Патент РФ №2256604, МПК С01В 21/076, опубл. 27.11.2004], который был выбран за прототип. Согласно этому способу приготавливают смесь из оксида азотируемого металла, азида щелочного металла и азотируемого металла как энергетической составляющей. Затем смесь воспламеняют в среде азота под давлением.
Недостатком этого способа является использование высокого давления в процессе синтеза и наличие в продуктах синтеза щелочи, которая может привести к их деградации. Кроме того, в этом способе используется дорогостоящий и опасный при хранении реагент - азид натрия.
Основной технической задачей изобретения является упрощение технологии за счет использования воздуха в качестве азотирующего агента, а в качестве энергетической добавки - нанопорошка алюминия.
Основная техническая задача достигается тем, что в заявляемом способе получения нитридов металлов, согласно которому, так же, как и в прототипе, приготовляют экзотермическую смесь, состоящую из оксида азотируемого металла и энергетической составляющей и воспламеняют ее в присутствии азотирующего агента, в соответствии с предложенным решением, в качестве азотирующего агента используют воздух при атмосферном давлении, а в качестве энергетической составляющей используют нанопорошок алюминия при следующем соотношении компонентов, мольн.%:
| энергетическая составляющая | 60-80 |
| оксид азотируемого металла | остальное |
В результате использования воздуха при атмосферном давлении в качестве азотирующего агента происходит упрощение технологии, так как нет необходимости в применении в качестве реагентов чистого азота и дорогостоящего и опасного при хранении азида натрия и высокого давления для проведения процесса синтеза. Кроме того, упрощение технологии происходит за счет использования нанопорошка алюминия в качестве энергетической добавки, так как нанопорошок алюминия в отличие от порошков титана и циркония не склонен к пирофорности, устойчив на воздухе до 400-450°С, но при инициировании хорошо горит на воздухе, что делает возможным проведение синтеза без использования сложного оборудования (реактора).
Перечень иллюстративного материала
В таблице 1 приведены составы исходных смесей оксида титана и нанопорошка алюминия и содержание в полученных продуктах нитрида титана по отношению к остаточному оксиду титана.
В таблице 2 приведены составы исходных смесей оксида циркония и нанопорошка алюминия и содержание в полученных продуктах нитрида циркония по отношению к остаточному оксиду циркония.
Пример конкретного выполнения
Для эксперимента в качестве исходных компонентов использовали порошок оксида азотируемого металла - TiO2 (промышленный порошок марки хч), ZrO2 (промышленный порошок марки осч) и нанопорошок алюминия (получен с помощью электрического взрыва алюминиевых проводников на опытно-промышленной установке УДП-4Г, напряжение на взрываемом проводнике - 24 кВ, энергия, вводимая в проводник, - 1,45 энергии сублимации взрываемого проводника, среда - аргон, форма частиц - сферическая, содержание металлического алюминия - 92 мас.%, площадь удельной поверхности - 12 м2/г).
Из порошков готовили смеси массой 4 г при следующем соотношении компонентов, мольн.%:
| энергетическая составляющая, | 40; 56; 60; 70; 76; 80; 86; 90; |
| оксид азотируемого металла | остальное |
Образцы смесей приготавливали методом сухого смешения с применением малых нагрузок, смешение осуществляли в течение 15 минут. Подготовленные образцы высыпали на подложку из нержавеющей стали (толщина листа - 3 мм, марка стали 18Х12Н10Т), придавая насыпанному материалу коническую форму для улучшенной фильтрации воздуха в зону реакции. Образцы воспламеняли в воздухе: процесс горения инициировали пропусканием импульса электрического тока (6 А) через нихромовую спираль (диаметр проволоки - 0,3 мм), находящуюся в контакте с исходной смесью. В результате сгорания образовывались спеки, которые измельчали с помощью шаровой мельницы (помол в течение 0,5 часа) и подвергали рентгенофазовому анализу (метод порошка, дифрактометр ДРОН-3М, CuКа-излучение).
В таблицах 1 и 2 представлены составы исходных смесей и содержание нитрида металла. При содержании в исходной смеси энергетической составляющей менее 60 мольн.% выход нитрида азотируемого металла низок вследствие невысокой температуры горения смесей, которая недостаточна для химического связывания азота воздуха [1]. При содержании в исходной смеси нанопорошка алюминия более 80 мольн.% прирост содержания нитридов азотируемых металлов замедляется, поэтому дальнейшее повышение содержания нанопорошка алюминия в исходной смеси нецелесообразно из-за удорожания получаемого продукта. Наиболее оптимальный состав смесей содержит от 60 до 80 мольн.% нанопорошка алюминия.
Литература
1. Ильин А.П., Громов А.А. Горение алюминия и бора в сверхтонком состоянии. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003, 155 с.
| Таблица 1 | |||
| Содержание энергетической составляющей в исходной смеси, мольн.% | Содержание оксида титана в исходной смеси, мольн.% | Содержание в полученных продуктах нитрида титана по отношению к остаточному оксиду титана, % | Примечание |
| 30 | 70 | 2 | |
| 45 | 55 | 6 | |
| 60 | 40 | 31 | Заявляемый способ |
| 63 | 37 | 33 | |
| 76 | 24 | 98 | |
| 80 | 20 | 91 | |
| 86 | 14 | 92 |
| Таблица 2 | |||
| Содержание энергетической составляющей в исходной смеси, мольн.% | Содержание оксида циркония в исходной смеси, мольн.% | Содержание в полученных продуктах нитрида циркония по отношению к остаточному оксиду циркония, % | Примечание |
| 40 | 60 | 2 | |
| 56 | 44 | 7 | |
| 60 | 40 | 32 | Заявляемый способ |
| 70 | 30 | 68 | |
| 76 | 24 | 72 | |
| 80 | 20 | 78 | |
| 86 | 14 | 87 | |
| 90 | 10 | 98 |
Способ получения нитридов металлов, включающий приготовление экзотермической смеси, состоящей из оксида азотируемого металла (TiO2 или ZrO2) и энергетической составляющей, и ее воспламенение в присутствии азотирующего агента, отличающийся тем, что в качестве азотирующего агента используют воздух при атмосферном давлении, а в качестве энергетической составляющей используют нанопорошок алюминия при следующем соотношении компонентов, мол.%:
| энергетическая составляющая | 60-80 |
| оксид азотируемого металла | остальное |
