Введение к работе
Асттальность темы В последнее время наблюдается рост производства технической керамики, применение которой находит всё большее распространение в различных областях техники и промышленности. Преимуществами керамических материалов являются высокие показатели твёрдости, износостойкости, диэлектрических и других свойств. Для достижения высоких физико-механических характеристик керамики необходим поиск новых технических решений и подходов к выбору исходных материалов для её синтеза.
Перспективным направлением в получении новых керамических материалов является применение продуктов сжигания нанопорошков металлов в различных средах. Известно, что при сжигании в воздухе нанопорошков и промышленных порошков алюминия, титана, циркония образуются нитридсодержащие керамические материалы - прекурсоры для получения спеченных керамических изделий. Условия синтеза (высокие температуры) способствуют формированию различного рода кристаллов с плавно меняющимися переходными слоями между отдельными фазами. Известно также, что при сгорании порошкообразного алюминия в воздухе в конечных продуктах содержится нитрид алюминия, обладающий уникальными свойствами: по теплопроводности он сравним с серебром, имеет высокую твёрдость (12 ГПа).
Недостаточность информации по синтезу сжиганием и отсутствие комплексных исследований по составу, структуре и взаимосвязи параметров исходных веществ со свойствами конечных продуктов не даёт возможности в полной мере прогнозировать состав, структуру и свойства синтезированных керамических материалов. Интерес представляет разработка состава смесей нанопорошков с неорганическими веществами, особенности их горения, установление зависимости фазового состава и свойств керамических материалов, полученных синтезом сжиганием этих смесей в воздухе, от природы, состава и свойств исходных веществ.
Тема диссертационной работы входит в число приоритетных направлений науки и соответствует содержанию программы Правительства России «Концепция развития в Российской Федераций работ в области нанотехнологий на период до 2010 года», является актуальной для становления в России наноиндустрии.
Работы, положенные в основу диссертации, выполнялись в рамках программы совместных работ Томского политехнического университета и Ульсанского университета (Корея) (2002-2005 г.г.), программы «Развитие нанотехнологий», выполняемой НИИ высоких напряжений и Далянским техническим университетом (Китай) (2001-2005 г.г.), хоздоговорных работ, программы Правительства РФ «Полимеры России», раздел «Наполненные нанопорошками полимеры» (2006 г.), грантов РФФИ № 06-08-00707-а и № 07-03-00825-а, грантов НИИ ВН и Томского политехнического университета для молодых учёных, а также при поддержки Фонда «Глобальная энергия» (лауреат конкурса молодёжных исследовательских проектов в области
энергетики). Победитель конкурсов НИР ТПУ и НИР НИИ ВН по итогам 2007 г.
Объект исследования - керамические порошкообразные материалы, полученные сжиганием в воздухе смесей порошков, активированных нанопорошками алюминия, железа, меди, и спечённых материалов на их основе.
Предмет исследования — процессы синтеза сжиганием в воздухе смесей с добавками (компонентами) нанопорошков алюминия, железа и меди, структура, фазовый состав конечных продуктов синтеза, их свойства и характеристики как компонентов и прекурсоров в технологии спечённых керамических материалов.
Цель работы. Разработка технологии прекурсоров и компонентов керамических материалов сжиганием в воздухе порошковых смесей, активированных нанопорошками алюминия, железа и меди.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Определить параметры химической активности исходных нанопорошков алюминия, железа и меди и их смесей с грубодисперсными порошками (простыми веществами, оксидами и солями).
-
Исследовать фазовый состав и содержание компонентов в продуктах сгорания порошковых смесей, активированных нанопорошками различной химической активности: алюминия, железа и меди.
-
Изучить морфологические и наноструктурные характеристики продуктов сгорания смесей порошков, активированных нанопорошками Al, Fe и Си.
-
Установить взаимосвязь между содержанием A1N в продуктах сгорания порошковых смесей, активированных НПА1, и свойствами порошкообразных веществ.
-
Определить пороговые значения теплового эффекта окисления нанопорошков, необходимого для протекания взаимодействия между компонентами смеси.
-
Разработать перечень характеристик и свойств керамических материалов как критериев отнесения их к прекурсорам.
Научная новизна работы
-
Установлено, что химически инертные грубодисперсные порошки Zr02, MgS04 и CaS04 снижают температуру начала окисления нанопорошка алюминия с 500 до 220, 80 и 330 С соответственно. Предполагается, что они снижают устойчивость двойного электрического слоя на частицах алюминия.
-
Установлено, что образование нитридов в процессе горения в воздухе нанопорошка алюминия и его смесей является высокотемпературным процессом и протекает только в присутствии нанопорошка алюминия, причём максимальный выход A1N достигнут при горении смеси нанопорошка алюминия и графита (73 мас.%).
-
Впервые установлено, что при сгорании в воздухе смесей нанопорошка алюминия с Ті02 и Zr02 образуются TiN и ZrN. При этом в конечных продуктах содержится до 62 отн.% TiN и до 59 отн.% ZrN, что связано с
образованием этих нитридов при восстановлении оксидов до металлов алюминием и их сгоранием в воздухе с образованием нитридов. 4. Установлено, что в условиях синтеза сжиганием в воздухе при взаимодействии нанопорошков алюминия, железа и меди образуются с высоким выходом соответствующие сульфиды AI2S3 (60 отн.%), FeS (82 отн.%), CuS и Cu2S (суммарно 100 отн.%), что соответствует росту сродства к сере: от алюминия к меди.
Практическая ценность работы
1. Разработаны составы исходных смесей и изучены продукты их
сгорания в воздухе - тугоплавкие оксидно-нитридные материалы с
различным соотношением фаз оксидов и нитридов металлов, которые
представляют собой субмикронные порошки - прекурсоры, дисперсно-
упрочняющие добавки и компоненты спеченных керамических материалов.
2. Разработана технология синтеза прекурсоров заданного фазового
состава и компонентов керамических материалов для получения на их
основе спеченных керамических материалов.
3. Получены спеченные керамические материалы с высокой
пористостью (кажущаяся плотность от 1,3 до 4,2 г/см3) на основе продуктов
синтеза сжиганием смесей, активированных нанопорошком алюминия. На их
основе получены композиционные полимерные материалы с керамической
матрицей.
4. Материалы работы используются при подготовке магистров в
Томском политехническом университете по программе «Методы получения
наноматериалов, их структура и свойства».
На защиту выносится:
-
Состав исходных порошков смесей, активированных нанопорошками алюминия, железа, меди и состав продуктов синтеза их сжиганием в воздухе.
-
Величины параметров химической активности нанопорошков алюминия, железа и меди с порошкообразными веществами различной природы: с простыми веществами, с оксидами и с солями.
-
Морфологические и наноструктурные характеристики продуктов синтеза сжиганием порошковых смесей, активированных нанопорошками алюминия, железа и меди.
-
Условия синтеза в воздухе нитридсодержащих керамических материалов с регулируемым содержанием фаз нитридов.
5. Состав порошковых смесей ТіСЬ и Zr02, активированных
нанопорошком алюминия, сгорание которых в воздухе обеспечивает
образование 62,3 и 58,6 % соответствующих нитридов.
6. Предлагаемый перечень характеристик и свойств керамических
материалов - прекурсоров.
Реализация результатов работы Полученные материалы использованы в производстве композитных клеев ООО «Нанотек» и в качестве абразивных порошков в НПО «Нанометрические порошки металлов».
Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях: Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2005, 2006), Российско-Корейский Международный симпозиум «KORUS» (г. Томск, 2005, г. Новосибирск, 2006), Международный научно-технический симпозиум имени академика М.А. Усова (г. Томск, 2003, 2004), Всероссийская конференция «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем» (г. Москва, 2005), Международная школа-конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (г. Томск, 2005), Международная конференция «Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение: «HEMs-2006» (г. Белокуриха, 2006), Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» (г. Томск, 2004, 2005, 2006), Международная научно-практическая конференция «Энергия молодых - экономике России» (г. Томск, 2003, 2005), Научно-практическая конференция «Проблемы качества, безопасности и диагностики» (г. Сочи, 2005), Международный научный семинар «Наноструктурные материалы» (г. Новосибирск, 2007).
Публикации По материалам диссертационной работы опубликованы 16 научных работ, в том числе 2 статьи в центральной печати, поданы 2 заявки на патенты РФ, получено положительное решение по одному из них.
Объём и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 106 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы и 16 рисунков.
