Композиционный порошок на основе нитрида кремния

Изобретение относится к области получения тугоплавких неорганических соединений, в частности к получению композиционных порошков на основе нитрида кремния, которые могут быть использованы в качестве исходного сырья для получения конструкционной и функциональной керамики, в автомобильной и авиационной промышленности для производства элементов двигателей внутреннего сгорания, футеровки камер сгорания, сепараторов высокотемпературных подшипников, лопаток турбин, в машиностроении - подшипников скольжения и качения, пар трения. Композиционный порошок на основе нитрида кремния, полученный методом СВС, содержит более 90% мас. альфа-фазы нитрида кремния и одно или несколько оксидсодержащих соединений из группы Mg2SiO4, Y2SiO5, YNSiO2, Y2Si3О3N4, YSiO2N, Y4Si2O7N2. Изобретение позволяет получать композиционные порошки с повышенным содержанием альфа-фазы, не содержащих хлориды и фториды магния и иттрия. Данные порошки представлены частицами размером не более 2 мкм, содержание примесей не превышает 0,5% мас., удельная поверхность композиционных порошков после дезагломерации синтезированного вещества составляет не менее 6 м2/г. 1 табл.

 

Изобретение относится к области получения тугоплавких неорганических соединений, в частности к получению композиционных порошков на основе нитрида кремния методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), которые могут быть использованы в качестве исходного сырья для получения конструкционной и функциональной керамики высокой твердости, износостойкости и высокотемпературной прочности при температурах до 1500°С, в автомобильной и авиационной промышленности для производства элементов двигателей внутреннего сгорания, футеровки камер сгорания, сепараторов высокотемпературных подшипников, лопаток турбин, в машиностроении - подшипников скольжения и качения, пар трения.

Известен композиционный порошок состава Si3N4-Y2O3 на основе нитрида кремния который представляет собой рентгеноаморфное вещество с удельной поверхностью 20-30 м2/г. Такой порошок получают методом плазмохимического синтеза (ПХС). Плазмохимический синтез осуществляется путем введения в реактор с азотно-аммиачной плазмой со среднемассовой температурой 6000-6200 К порошков кремния и оксида иттрия в соотношении, которое обеспечивает получение после азотирования продукта заданного состава с массовой долей оксида иттрия от 2 до 18%. В реакторе ПХС происходит нагревание, плавление и испарение частиц, а дальше по мере понижения температуры начинается образование нитрида кремния. (Я.П. Грабис. «Плазмохимический синтез тонкодисперсных композиционных порошков на основе нитридов» в сборнике научных трудов. Материалы на основе нитридов. Киев ИПМ 1988 с. 46-53).

Известен композиционный порошок состава Si3N4-ZrO2 на основе нитрида кремния, который состоит из бета-фазы нитрида кремния β-Si3N4, диоксида циркония ZrO2, оксинитрида кремния Si2N2O. Порошок получают в режиме горения при давлении азота 2-20 МПа из 40-50 масс. % промышленного ферросилиция, содержащего 65-95 масс. % кремния, 20-50 масс. % цирконового концентрата, содержащего 60-70 масс. % диоксида циркония, 10-30 масс. % нитрида кремния и 0,5-1,0 масс. % фторида аммония (О.Г. Витушкина, Л.Н. Чухломина. «Получение нитридсодержащего композиционного порошка азотированием кремния и цирконового концентрата». XIX Международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии», стр. 28-29; Чухломина Л.П., Витушкина О.Г., Максимов Ю.М. Патент RU 2351435 С1 «Способ получения композиционного керамического порошка на основе нитрида кремния и диоксида циркония и шихта для его осуществления»).

Наиболее близким к заявляемому продукту являются композиционные порошки на основе нитрида кремния Si3N4-MgO и Si3N4-Y2O3, полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Порошки исходных компонентов - полидисперсный кремний, нитрид кремния (инертная добавка), оксиды MgO или Y2O3, галогениды аммония (NH4Cl, NH4F), дозируют в необходимых пропорциях и смешивают в шаровой мельнице до получения гомогенной смеси. Шихту загружают в СВС - реактор, который заполняют азотом до необходимого давления и осуществляют воспламенение шихты. Синтез проходит в режиме горения в среде азота при давлении 5-10 МПа. (Порошковая металлургия, 2007, №1/2, с. 10-14).

Полученные таким способом композиционные порошки содержат 70-82 мас.% альфа-фазы Si3N4, а содержание оксидов в них составляет: MgO - 5мас.%, Y2O3 - 10 мас.% Оксидная фаза представлена рентгеноаморфным веществом.

Недостатком таких композиций является использование галогенидов аммония, в связи с чем при синтезе наряду с целевым продуктом образуются хлориды и фториды магния и иттрия, которые снижают прочностные свойства керамического материала.

Технической задачей изобретения является создание композиционных порошков на основе нитрида кремния с повышенным содержанием альфа-фазы, не содержащих хлориды и фториды магния и иттрия, и в которых преобладают частицы равноосной формы размером менее 2 мкм.

Технический результат достигается тем, что композиционный порошок на основе нитрида кремния, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, содержит альфа-фазу нитрида кремния более 90 мас.% и одно или несколько оксидсодержащих соединений магния или иттрия из группы Mg2SiO4, Y2SiO5, YNSiO2, Y2Si3О3N4, YSiO2N, Y4Si2O7N2. Способ получения композиционных порошков на основе нитрида кремния методом СВС включает приготовление смеси порошков кремния, нитрида кремния и оксида магния или оксида иттрия, помещение полученной смеси в замкнутый реактор, заполнение реактора азотом до необходимого давления, локальное воспламенение смеси и синтез в режиме горения под давлением азота с последующим извлечением целевого продукта, согласно изобретению соотношение кремния и нитрида кремния в смеси составляет (1÷4-1÷2), содержание одного из оксидов Y2О3, MgO составляет 3-20 мас.%, а синтез в режиме горения проводят под давлением 1-5 МПа.

Для реализации оптимального температурного режима синтеза используют порошок кремния с удельной поверхностью до 12 м2/г.

В композициях, полученных таким способом, отсутствуют хлориды и фториды магния и иттрия, преобладают частицы равноосной формы размером менее 2 мкм, которые объединены в конгломераты с оксидсодержащими соединениями магния или иттрия. Содержание альфа-фазы более 90 мас.% Оксидная фаза композиционных порошков в зависимости от использованных оксидов и условий синтеза может быть представлена одним или несколькими следующими соединениями: силикатом магния Mg2SiO4, силикатом иттрия Y2SiO5, оксинитридами иттрия-кремния YNSiO2, Y2Si3O3N4, YSiO2N, Y4Si2O7N2.

Во всех случаях продукт синтеза представляет собой мягкий или хрупкий спек, состоящий из агломерированных частиц. Для получения тонкодисперсного порошка спек подвергают дезагломерации и, при необходимости, классификации.

Примеры получения заявленных композиционных порошков на основе нитрида кремния.

Пример 1. Готовят смесь из порошка кремния с удельной поверхностью 4 м2/г, порошка нитрида кремния с удельной поверхностью 6 м2/г в соотношении (1:2,5) и оксида магния (6 ) путем перемешивания в шаровой мельнице в течение 60 мин. Полученную смесь загружают на графитовую лодочку. Лодочку с реакционной смесью помещают в реактор СВС. Реактор герметизируют, продувают азотом для удаления кислорода воздуха из объема реактора, заполняют азотом до давления 3 МПа и инициируют горение путем подачи электрического импульса тока на смесь через вольфрамовую спираль с последующим синтезом в режиме горения. После окончания синтеза и охлаждения спека из реактора сбрасывают остаточное давление, открывают его и извлекают спек на основе нитрида кремния. Спек представляет собой пористый, легко разрушаемый, хрупкий материал белого цвета, в котором оксидная фаза представлена силикатом магния Mg2SiO4.

Пример 2. Готовят смесь из порошка кремния с удельной поверхностью 12 м2/г, порошка нитрида кремния с удельной поверхностью 10 м2/г в соотношении (1:3) и оксида иттрия (16 мас.%) путем перемешивания в шаровой мельнице в течение 60 мин. Полученную смесь загружают на графитовую лодочку. Лодочку с реакционной смесью помещают в реактор СВС. Реактор герметизируют, продувают азотом для удаления кислорода воздуха из объема реактора, заполняют азотом до давления 2 МПа и инициируют горение путем подачи электрического импульса тока на смесь через вольфрамовую спираль с последующим синтезом в режиме горения. После окончания синтеза и охлаждения спека из реактора сбрасывают остаточное давление, открывают его и извлекают спек на основе нитрида кремния. Спек представляет собой пористый, легко разрушаемый хрупкий материал белого цвета, в котором оксидная фаза представлена оксинитридом иттрия кремния YNSiO2H силикатом иттрия Y2SiO5.

В таблице представлены другие примеры с указанием состава исходной смеси, азотирующей среды, давления азота и свойств полученного продукта.

Во всех примерах продукты синтеза по данным рентгенофазового анализа содержат не менее 90 мас.% альфа-фазы нитрида кремния, композиционные порошки нитрида кремния представлены частицами размером не более 2 мкм, содержание примесей не превышает 0,5 мас.%, удельная поверхность композиционных порошков после дезагломерации синтезированного вещества составляет не менее 6 м2/г.

Композиционный порошок на основе нитрида кремния, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, содержащий альфа-фазу нитрида кремния и оксидсодержащее соединение магния и/или иттрия, отличающийся тем, что содержание альфа-фазы нитрида кремния в порошке составляет более 90 мас.%, а в качестве оксидсодержащего соединения порошок содержит одно или несколько соединений из группы Mg2SiO4, Y2SiO5, YNSiO2, Y2Si3O3N4, YSiO2N, Y4Si2O7N2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам получения порошков химических соединений кремния. Способ получения порошков нитрида кремния или карбида кремния включает предварительный нагрев смеси моносилана с инертным газом-разбавителем и прекурсором.

Изобретение относится к области получения тугоплавких неорганических соединений, в частности к получению композиционных порошков на основе нитрида кремния методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), которые могут быть использованы в качестве исходного сырья для получения конструкционной и функциональной керамики, в автомобильной и авиационной промышленности для производства элементов двигателей внутреннего сгорания, футеровки камер сгорания, сепараторов высокотемпературных подшипников, лопаток турбин, в машиностроении - подшипников скольжения и качения, пары трения.
Изобретение относится к области получения нитрида кремния. Способ получения альфа-фазы нитрида кремния включает приготовление смеси порошка кремния и нитрида кремния, помещение смеси в замкнутый реактор, заполнение реактора азотом, локальное воспламенение смеси, проведение синтеза в режиме горения под давлением азота с последующим сбросом остаточного давления, охлаждение и извлечение целевого продукта.

Изобретение относится к области порошковой технологии и предназначено для получения ультрадисперсных порошков нитрида кремния. Предложенный способ базируется на методе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-процесса), в котором в качестве шихты используют смесь порошков предварительно активированного нитридообразующего компонента со средним размером частиц меньше 5 мкм и нитрида кремния в качестве разбавителя со средним размером частиц меньше 1 мкм и шириной распределения не более 2 в количестве менее 25% от общей массы, в качестве нитридообразующего компонента используют ферросилиций, после дробления спека проводят дальнейшее измельчение (дезагрегацию) порошка в струе сжатого газа, подаваемой в насыпной слой, при этом пылегазовый поток рециркулируют как внутри рабочего объема, выделяя крупные частицы из рабочего газа за счет инерционной и воздушно-центробежной сепарации, так и вне его, эжектируя выделенные из потока циклонным сепаратором мелкие частицы и возвращая их в рабочий объем, при этом одновременно над насыпным слоем и в зоне отделения частиц циклонного сепаратора создают область действия магнитного поля, в которую подают пылегазовый поток и осуществляют контактирование частиц с поверхностью магнита, причем в течение всего процесса измеряют напряжение, индуцируемое частицами железа в пылегазовом потоке, выходящем из насыпного слоя, и, при достижении им минимального (заданного) значения, процесс продолжают еще в течение не менее трех рециркуляций материала, оставшегося в рабочем объеме, затем эжектирование прекращают, а продукт классифицируют на фракции.

Изобретение относится к области порошковой технологии и предназначено для получения самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) нитрида кремния с высоким содержанием основного вещества, тонкодисперсным размером основной массы частиц при достаточно узком гранулометрическом составе.

Изобретение относится к использованию в качестве энергоносителей исходных материалов, содержащих диоксид кремния. .

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к способам получения новой плотной сверхтвердой модификации нитрида кремния, имеющей кубическую структуру шпинели ( - Si3N4).

Изобретение относится к технологии получения материалов, а именно к технологии получения поликристаллического кремния и его химических соединений - карбида и нитрида - из природных кремнийсодержащих концентратов.

Изобретение относится к синтезу тугоплавких неорганических соединений, которые могут быть использованы при получении конструкционной керамики и огнеупорных материалов.

Изобретение относится к области получения тугоплавких неорганических соединений, в частности к получению композиционных порошков на основе нитрида кремния, которые могут быть использованы в качестве исходного сырья для получения конструкционной и функциональной керамики, в автомобильной и авиационной промышленности для производства элементов двигателей внутреннего сгорания, футеровки камер сгорания, сепараторов высокотемпературных подшипников, лопаток турбин, в машиностроении - подшипников скольжения и качения, пар трения. Композиционный порошок на основе нитрида кремния, полученный методом СВС, содержит более 90 мас. альфа-фазы нитрида кремния и одно или несколько оксидсодержащих соединений из группы Mg2SiO4, Y2SiO5, YNSiO2, Y2Si3О3N4, YSiO2N, Y4Si2O7N2. Изобретение позволяет получать композиционные порошки с повышенным содержанием альфа-фазы, не содержащих хлориды и фториды магния и иттрия. Данные порошки представлены частицами размером не более 2 мкм, содержание примесей не превышает 0,5 мас., удельная поверхность композиционных порошков после дезагломерации синтезированного вещества составляет не менее 6 м2г. 1 табл.

Наверх