Введение к работе
Актуальності» исследования. Развитие многочисленных отраслей новой техники связано с разработкой новых материалов, которые должны эксплуатироваться в экстремальных условиях, обладать высокой химической и радиационной стойкостью, твердостью. Наиболее перспективными среди таких материалов являются соединения металлов с углеродом, бором, азотом, кремнием. Особый интерес в настоящее время представляют нитриды металлов, которые обладают диэлектрическими и полупроводниковыми свойствами, химической устойчивостью в агрессивных средах, каталитической активностью и другими специфическими свойствами. В частности, нитридные порошки титана применяются в качестве огнеупорных и термостойких материалов. Материалы на основе нитридов алюминия широко используются в микроэлектронике, лазерной технике, для изделий, контактирующих с расплавами металлов при повышенных температурах.
Одним из наиболее эффективных методов получения нитридов металлов является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), который дает возможность получать соединения с различными свойствами. Однако механизм образования этих соединений в волне горения еще полностью не изучен. Имеются отрывочные сведения о СВС трехкомпонентньгх систем, и отсутствуют сведения о синтезе четырехкомпонентных систем. Расширение класса синтезируемых нитридных соединений позволит получать материалы с новыми, уникальными свойствами.
Данная диссертационная работа посвящена исследованию фазовых превращений в процессах СВС многокомпонентных систем на основе металлов III, IV, VI, VIII групп с азотом, выявлению роли промежуточных
фаз в волне горения, выявлению взаимного влияния исходных реагентов на выход целевого продукта.
Цель диссертационной работы: Изучение механизма фазообразования в волне горения трех- и четырехкомпонентных систем.
Определение роли промежуточных соединений, образующихся при горении многокомпонентных систем.
Расчет и описание кристаллохимических характеристик промежуточных соединений, полученных при горении, а также в конечных продуктах горения многокомпонентных систем.
Необходимость исследования связана с потребностями отраслей новой передовой техники в материалах с повышенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами.
В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:
- установить особенности фазообразования соединений, образующихся при горении многокомпонентных систем типа Me' - Me" -азот (Me'=Ti; Ме"= Fe, Со, Ni, Cr, Al);
установить влияние соотношений энергий активации образования нитридов Me' и Me", а также степени экзотермичности ведущего компонента (Me') в исходной смеси на типы и количество фаз в конечных продуктах горения исследуемых систем;
определить полные кристаллохимические характеристики выявленных промежуточных нитридов Me" для возможности их идентификации в материалах, применяемых в различных областях микроэлектронной технологии;
изучить возможность получения в режиме горения конечных продуктов с повышенным содержанием неустойчивых нитридов III, VI, VIII групп;
5 Научная новизна.
-
Выявлен механизм фазообразования соединений в волне горения двух и трехкомпонентных смесей порошков в азоте, заключающийся в образовании нитридов металлов с меньшим значением энергии активации образования (Me" и (или) Me"'), их диссоциации, и азотировании металла (Me') выделившемся атомарным азотом.
-
На основании экспериментов установлено, что механизм фазообразования в исследуемых системах протекает в твердо-жидкой («L-S») области, определяемой фазовыми диаграммами металлов, участвующих в процессе.
-
Во всех зависимостях полноты превращения и отношения усвоенного азота к Me" (N/Me") от параметров опыта выявлена макродискретность, обусловленная образованием и диссоциацией промежуточных нитридов металлов системы.
-
Впервые при анализе горения в режиме СВС систем Me' - Me" - азот в сочетании с рентгенофазовым анализом конечных продуктов выявлены нитридные соединения Me" в системах "Fe - азот", "Сг — азот", "Ni -азот", "Со - азот", "А1 - азот".
-
Определены полные кристаллохимические характеристики всех обнаруженных неравновесных промежуточных нитридов Me".
-
Приведенные характеристики нитридных соединений могут быть использованы для идентификации неустойчивых метастабильных нитридов, которые в последнее десятилетие широко используются в микроэлектронной технологии.
-
Показана возможность получения слабоэкзотермичных нитридов путем сжигания двух-, трехкомпонентных смесей в азоте.
Положения, выносимые на зашиту.
-
Механизм фазообразования соединений в волне горения трех- и четырехкомпонентных систем Me' — Me" - азот, Me' — Me" - Me"' — азот.
-
Роль твердо-жидкого («L-S») расплава металлов в волне горения многокомпонентной системы в образовании промежуточных фаз.
-
Макродискретность в зависимостях полноты превращения и отношения усвоенного азота к Me" (N/Me") от параметров опыта.
-
Полные крнсталлохимические характеристики всех обнаруженных неравновесных промежуточных нитридов.
Практическая ценность работы:
Впервые исследован механизм фазообразования сложных систем в азоте.
Детально изучены и рассчитаны кристаллохимические характеристики неравновесных нитридов III, VI, VIII групп, полученных при горении и в конечных продуктах многокомпонентных систем.
Данные расчетов и описание кристаллохимических характеристик промежуточных нитридов позволяют осуществить оперативную и надежную идентификацию метастабильных соединений, получаемых в различных экспериментальных исследованиях и при отработке технологических процессов.
Полученные результаты исследований, предложенный механизм фазообразования и кристаллохимические характеристики соединений могут быть использованы, в первую очередь, в области микроэлектронной техники, при разработке новых перспективных материалов и нанотехнологических процессов их получения.
Достоверность научных результатов и выводов подтверждается экспериментальными результатами, аналитическими расчетами, сопоставлением расчетных данных с опытными и апробированными
результатами научных исследований других ученых в области СВС. Работа
выполнялась в рамках проекта «Академический университет» Федеральной целевой программы «Интеграция» и планов РАН.
Выводы и рекомендации, полученные автором в ходе выполнения исследований, вошли в научно-исследовательские отчеты Отдела структурной макрокинетики Томского научного центра (ранее ТФ ИСМАН).
Апробация работы. Результаты исследований докладывались в г. Саратове на конференции «Наследственная память в материалах и сплавах» 1998 г., на зимней школе-семинаре молодых ученых по сопряженным задачам механики и экологии в г. Томске 1999 г., на VI и VII Всероссийских научно-технических конференциях «Механика летательных аппаратов и современные материалы» в г. Томске 1999,2000 г.г.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в шести статьях и трёх научно-технических отчётах, седьмая статья находится в печати.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация объемом 186 страниц состоит из введения, шести глав, основных выводов, перечня цитируемой литературы и приложений, включает 37 рисунков и 47 таблиц; список литературы состоит из 101 наименования отечественных и зарубежных авторов.
