Введение к работе
Актуальность темы. Разрабо гка и внедрение новых классов высокоэффективных материалов, належно работающих и сложных условиях, обладающих комплексом защипни свопе і г,, явїяєіся важной задачей современного материаловедения. Наибольший интерес с точки зрения физико-химических свойств и практической ценности представляю! сплавы и норме I и сюжного состава, в основе композиции котрых - карбилы, борилм, нпірпльї некоторвіх металлов и неметаллов. Создание таких материалов реализуется, главным образом, посредством технологии порошковой металлургии. Однако ряд трудностей и, прежде всего, себестоимость порошков, получаемых традиционно восстановлением оксидов, препятствует применению методов порошковой металлургии в широких промышленных масштабах.
Новым перспективным направлением, получившим
развитие в Институте Материаловедения ДВО РАН, в области
создания многокомпонентных металлических и керамических
порошковых материалов может стать комплексное использование
шлиховых концентратов россыпных месторождений и
концентратов некоторых руд коренных месторождений с целью
включения их к технологический процесс непосредственно, без
предварительного выделения чистых компонентов. К главным
преимуществам прямой переработки минеральных ассоциаций в
шлихах и концентратах м.оано отнес і и существенное снижение
стоимости производства порошков и потерь ценного компонента
руды за счет исключения металлургических процессов и, кроме
тот, рациональное использование большинства компонентов
концентратов при получении гетерогенного порошкового
материала. В згой связи весьма перспективно использование
борсодержащих силикатных материалов для совместного
производства карбидов бора и кремния. С этой целью в
настоящей работе проведено исследование процесса
высокотемпературного восстановления углеродом датодитового концентрат (Д'ГК) - основного борсодержащеі о сырья Дальне вое і очною региона.
Не менее важном является задача контролируемого синтеза композиционных порошков определенного состава, размера и формы частиц. Несмотря на большое количество публикации, посвященных проблемам tarn теза ГмС и 1>дС , мехаппзмч взапмодейсівпя оксидов бора и кремния с \глеродом. основные закоиомерносіи утих процессов изучены недостаточно.
Имеющиеся по этому вопросу сведения не позволяют оценить
участие отдельных компонентов при восстановлении сложной
смеси оксидов и солеи - продуктов разложения датолита в
области высоких температур. В связи с отим возникает
необходимость детального исследования кинетических
особенностей комплекса реакций, протекающих при восстановлении минерала, что способствует раскрытию закономерностей процессов образования карбидов бора и кремния и выявлению оптимальных условий синтеза с целью обеспечения заданного состава и свойств получаемых материалов.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационными планами научно-исследовательских работ РАН по направлению: "Физико-химические основы получения новых жаростойких неорганических материалов" (шифр 2.23), по теме Института материаловедения ДВО РАН: "Разработка физико-химических основ комгь'іексной переработки датолитового концентрата" (регистр, номер 01910017836) и являлась частью исследований, проводимых по теме (06.01.05) Государственной научно-технической программы "Технологии будущего" (0.06.01.012 IT).
Цель и задачи исследования. Целью работы является изучение физико-химических закономерностей процессов образования карбида бора и карбида кремния и определение способов регулирования состава и свойств композиционных порошковых материалов па их основе, получаемых углетермическим восстановлением ДТК.
В соответствии с указанной целью решались следующие задачи:
- определение влияния отдельных факторов (механическая
активация реагентов, соотношение компонентов шихты, режимы
термообработки, наличие примесей) на качественный и
количественный состав образующихся фаз при углетермическом
восстановлении ДТК;
- исследование особенностей кинетики взаимодействия
кислородсодержащих соединений бора и кремния с углеродом;
расчет кинетических констант и определение макрокинетического механизма реакций образования карбидов бора и кремния из ДТК;
моделирование процесса углетермического восстановления да гол та с учетом вклада отдельных компонентов, входящих в его состав;
изучение химических свойств, размера и формы частиц получаемых композиционных материалов.
Научная новизна. Изучены закономерности изменения фазового состава продуктов взаимодействия ХІТК с углеродом в зависимости от условий термообработки шихты.
Впервые определены по единой методике
макрокинетические механизмы и кинетические параметры
оперши активации (Еа) и константы скорости (Кс) процессов
образования SiC и ВдС при взаимодействии
кислородсодержащих соединений оора и кремния с углеродом.
Предложена модель последователь! ю-параллельных реакции, приводящих к образованию карбидов бора и кремния при углетермическом восстановлении датолита, причем впервые применена методика кинетического анализа данных ней.so іермических измерений для процессов карби.іизапии в многокомпонентной системе.
Впервые экспериментально выявлена схема развития процесса карбидизации оксидокремпиевых соедипениіі в два о і де.'п>ны.\ этапа, позволившая сопоставить сущее і вующую информацию о меха!іизме образования карбида кремния. ПоказаіП)і особенное! и роста нитевидных кристаллов SiC в шихте, включающей оксиды бора и кремния.
Практическая ценность работы. Предполагаемое
технологическое решение переработки борсодержащего сырья значительно снижает затраты по произволе гну композиционных материалов на основе карбидов бора и кремния, за счёт исключения стадии выделения чистых компонентов концентрата, способствует . уменьшению потерь бора по сравнению с существующей технологией, позволяет рационально использовать состав минерала, и, кроме того, избежать некоторых экологических проблем, связанных с переработкой сырья и производством карбидов.
Применение содержащихся в работе модельных расчетов и выводов позволяет подбирать режимы термообработки, обеспечивающие получение порошков определенного состава. Использование ДТК повышает выход нитевидных кристаллов SiC в 2-3 раза но сравнению с чистым оксидом.
I [оказана возможность применения получаемых
композиционных порошков в качестве эффективных абразивных материалов, а также в составе электродов для электроискрового легирования металлических поверхностей.
_Ши«ШШ'ИУ_ выносятся:
модельные представления процесса восстановления датолита углеродом в виде независимых реакций его отдельных компонентов;
результаты исследования кинетики процессов образования карбида бора и карбида кремния из оксидов и ДТК;
схема карбидизации оксидокремниевых соединений в две отдельных стадии, включающая твердофазные и газофазные реакции;
способы регулирования состава композиционных порошковых материалов, получаемых прямым восстановлением ДТК углеродом.
Апробация работы.Основные результаты исследований доложены на Международном симпозиуме "Наукоемкие
технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и
металлургических предприятиях Дальнего Востока",
Комсомольск-на-Амуре, 1994г.
Публикации.По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, получено авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем работы .Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, содержит 133 страницы машинописного текста, включая 17 таблиц, 18 рисунков, список литературы из 100 наименований и приложения.