Химия и химические технологии / 5. Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

Титова Ю. В., к.т.н. Шиганова Л. А., к.т.н. Майдан Д. А.

Самарский государственный технический университет

Синтез нанокристаллического порошка
нитрида алюминия

Нанокристаллические керамические порошки с размерами частиц менее 100 нм привлекают пристальное внимание исследователей в последние десятилетия, так как они обладают уникальными свойствами и значительными преимуществами по сравнению с крупнодисперсными порошками. Среди наноразмерных керамических порошков существует промышленный спрос на нанопорошок нитрида алюминия, обладающий исключительными механическими, химическими, термическими и диэлектрическими свойствами, имеющий широкий спектр применений в электронике [1].

Наноструктурированные частицы нитрида алюминия трудно получить с помощью обычного механического измельчения. Разработано множество процессов для получения наноразмерных частиц нитрида алюминия, такие как ионно-лучевое испарение, электрический взрыв алюминиевой проволоки, процесс плазменно-дугового переплава, химическое осаждение из паровой фазы и технология карботермического восстановления-азотирования.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) имеет ряд преимуществ. Он экономит энергию, так как не использует тепло от внешнего источника необходимое для протекания химической реакции в объеме образца. Реакция горения является простой и быстропротекающей. Этот метод позволяет получать керамические порошки высокого качества [2].

В данной работе исследовалась возможность получения порошка нитрида алюминия в режиме СВС в результате взаимодействия алюминия и азота, образующихся непосредственно в зоне горения при термическом разложении фторида алюминия (AlF₃) и азида натрия (NaN₃). Химическое уравнение получения нитрида алюминия выглядит следующим образом:

AlF₃ + 3NaN₃ = AlN + 3NaF + 4N₂↑ (1)

Применение в качестве азотируемого элемента не чистого металла, а его соединения позволяет получать конечный продукт синтеза в наноструктурированном состоянии. Замена газообразного атомарного азота на азот, содержащийся в азиде натрия (СВС-Аз), позволяет отказаться от дорогостоящего оборудования, работающего при высоких давлениях, и получить максимальную степень азотирования алюминия, которую невозможно достичь из-за фильтрационных затруднений по классической технологии СВС.

Термодинамический анализ позволяет рассчитать адиабатическую температуру горения, тепловой эффект реакции и равновесный состав продуктов. Известно, что образование нитрида алюминия начинается уже при температуре 400 °С. Интенсивное образование нитрида развивается при 750 °С. Исходя из этого, можно оценить возможность протекания процесса СВС и найти оптимальные начальные условия его проведения, что существенно сокращает объем экспериментальных исследований. Термодинамические расчеты проводились с помощью программы «Thermo», разработанной в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН. Результаты показывают, что увеличение адиабатической температуры при давлениях от 0,5 до 6 МПа незначительно и составляет около 18 °С. Однако, исходя из уравнения образования нитрида алюминия (1), можно сделать вывод о том, что при давлении 4 МПа выход продуктов реакции соответствует стехиометрическому соотношению.

В работе исследовались зависимости температуры и скорости горения смеси исходных компонентов на лабораторной установке СВС-Аз. Результаты исследования зависимости температуры и скорости горения системы «AlF₃-3NaN₃» от давления азота в реакторе показывают, что максимальная температура горения составляет 1250 °С, максимальная скорость горения составляет 1,1 см/с. Фазовый состав промытых продуктов горения представляет собой смесь нитрида алюминия и гексафторалюмината натрия, количество которого уменьшается с увеличением давления внешнего азота в реакторе. Исходя из температуры, скорости горения и количества нитрида алюминия в промытых продуктах горения установлено, что оптимальным давлением является значение 4 МПа.

Результаты исследования зависимости температуры и скорости горения системы «AlF₃-3NaN₃» от относительной плотности сжигаемого образца показывают, что с увеличением относительной плотности исходной шихты от 0,34 до 0,75 температура и скорость горения снижаются. Выход нитрида алюминия практически не зависит от относительной плотности. Наивысшее значение содержания азота в продукте достигается при использовании исходной смеси в насыпном виде. На основании полученных результатов и из технологических соображений, связанных с использованием прессового оборудования, установлено, что оптимальное значение относительной плотности составляет 0,34.

Результаты исследования зависимости температуры и скорости горения системы «AlF₃-3NaN₃» от диаметра сжигаемого образца показывают, что температура и скорость горения системы с увеличением диаметра образца возрастают, приобретая максимальные значения при диаметре образца 3 см. При значениях диаметра образца свыше 3 см начинают сказываться фильтрационные затруднения при подводе внешнего азота в центральную часть образца. На основании полученных результатов оптимальным был выбран диаметр образца 3 см.

Порошок нитрида алюминия, синтезированный из системы «AlF₃-3NaN₃», представляет собой частицы, состоящие из нитевидных кристаллов диаметром порядка 100 нм, которые можно классифицировать как нановолокно. Таким образом, исследуемая в данной работе система позволила синтезировать наноструктурированный порошок нитрида алюминия.

Литература:

1. Kyoungjin Kim, Plasma synthesis and characterization of nanocrystalline aluminum nitride particles by aluminum plasma jet discharge // Journal of Crystal Growth 283 (2005) 540–546.

2. Амосов А. П., Бичуров Г. В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов. М.: Машиностроение–1, 2007. − 526 с.