ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА НИТРИДСОДЕРАЖЕГО КОМПОЗИТА ПРИ ГОРЕНИИ СМЕСИ «КРЕМНИЙ – ЦИРКОН» В АЗОТЕ
Аннотация
Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) проведено азотирование кремния с добавками циркона (10-70%). Изучены зависимости степени азотирования, скорости горения от состава смеси, давления азота и диаметра образца. Максимальная степень азотирования достигается при введении 40 – 50% циркона в исходную смесь. Азотирование смеси «кремний – циркон» методом СВС происходит в автоколебательном режиме. Показано, что макроструктура сгоревших образцов неоднородна. Установлено, что для смеси состава «50% кремний – 50% циркон» при диаметре образца менее 30 мм и давлении азота менее 1,5 МПа процесс горения реализовать не удалось. При изменении основных параметров синтеза (давление азота 1,5-6 МПа, диаметр образца 30-60 мм) фазовый состав продуктов горения состоит из α,β-Si3N4, ZrO2, Si2N2O и ZrSi2. Исследован процесс высокотемпературного взаимодействия смеси «40% кремний – 60% циркон» с газообразным азотом с применением комплексного ДСК-ТГ- анализа. Установлено, что циркон не претерпевает физико-химических превращений, протекающих с изменением веса в условиях программированного нагрева в диапазоне 20 – 1500 °С. Показано, что кремний в системе «кремний – циркон – азот» проявляет свойства как нитридообразователя (в продуктах горения идентифицируются фазы Si3N4, Si2N2O), так и восстановителя ZrO2 с образованием ZrSi2. Представлен механизм химических превращений при азотировании кремния с цирконом в режиме горения. Исследованы свойства полученных нитридсодержащих композитов в зависимости от содержания циркона в исходной смеси.
Для цитирования:
Крюкова О.Г. Получение и свойства нитридсодеражего композита при горении смеси «кремний – циркон» в азоте. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 10. С. 86-94. DOI: 10.6060/ivkkt.20226510.6647.
Литература
Yugeswaran S., Ananthapadmanabhan P.V., Kuma-resan L., Kuberan A., Sivakumar S., Shanmugav-elayutham G., Ramachandran K. Synthesis of zirconium nitride from zircon sand by transferred arc plasma assisted carbothermal reduction and nitridation process. Ceram. Int. 2018. V. 44. N 12. P. 14789-14796. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.05.109.
Sharafeev Sh.M., Vereshchagin V.I. Phase formation processes at low-temperature luorination of zirconium silicate. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 4. P. 67-72. DOI: 10.6060/ivkkt.20216404.6336.
Kljajević L., Matović B., Radosavljević-Mihajlović A., Rosić M., Bosković S., Devečerski A. Preparation of ZrO2 and ZrO2/SiC powders by carbothermal reduction of ZrSiO4. J. Alloys Compd. 2011. V. 509. N 5. P. 2203-2215. DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.11.002.
Kljajević L., Šaponjić A., Ilić S., Nenadović S., Kokunešoski M., Egelja A., Devečerski A. Fabrication of non-oxide ceramic powders by carbothermal-reduction from industrial minerals. Ceram. Int. 2016. V. 42. N 7. P. 8128-8135. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.02.017.
Zeng Y., Liang F., Liu J., Zhang J., Zhang H., Zhang S. Highly Efficient and Low-Temperature Preparation of Plate-Like ZrB2-SiC Powders by a Molten-Salt and Microwave-Modified Boro/Carbothermal Reduction Method. Materials. 2018. V. 11. N 10. P. 1811. DOI: 10.3390/ma11101811.
Krishnarao R.V., Sankarasubramanian R. Thermite assisted synthesis of ZrB2 and ZrB2-SiC through B4C reduction of ZrO2 and ZrSiO4 in air. J. Adv. Ceram. 2017. V. 6. P. 139-148. DOI: 10.1007/s40145-017-0226-4.
Krishnarao R.V. Preparation of ZrB2 and ZrB2-SiC powders in a single step reduction of zircon (ZrSiO4) with B4C. Ceram. Int. 2017. V. 43. N 1. P. 1205-1209. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.10.064.
Jalaly M., Bafghi M.S., Tamizifar M., Gotor F.J. In situ synthesis of a ZrB2-based composite powder using a mechanochemical reaction for the zircon/magnesium/boron ox-ide/graphite system. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2013. V. 12. N 3. P. 551-559. DOI: 10.1111/IJAC.12202.
Deng X., Du S., Zhang H., Li F., Wang J., Zhao W., Zhang S. Preparation and characterization of ZrB2-SiC com-posite powders from zircon via microwave-assisted boro/carbothermal reduction. Ceram. Int. 2015. V. 41. N 10.
P. 14419-14426. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.07.077.
Yin L., Xu Y., Huang Z., Liu Y., Fang M., Liu B. Synthesis of ZrN-Si3N4 composite powders from zircon and quartz by carbothermal reduction and nitridation. Powder Technol. 2013. V. 246. P. 677-681. DOI: 10.1016/j.powtec.2013.06.029.
Ma B., Sun M., Ding Y., Yan C., Li Y. Fabrication of β-Sialon/ZrN/ZrON composites using fly ash and zircon. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2013. V. 23. N 9. P. 2638-2643. DOI: 10.1016/s1003-6326(13)62779-x.
Zhang Z., Wu X., Zhao H., Porwal H., Zhao H., Liu Y. Carbothermal/aluminothermic reduction nitridation synthesis of ZrN-SiAlON refractory composites from zircon and bauxite: a comparative study of the reduction effect of reducers. Adv. Appl. Ceram. 2017. V. 116. N 3. P. 151-157. DOI: 10.1080/17436753.2016.1264124.
Jalaly M., Tamizifar M., Bafghi M.S., Gotor F.J. Mechanochemical synthesis of ZrB2-SiC-ZrC nanocomposite powder by metallothermic reduction of zircon. J. Alloys Compd. 2013. V. 581. P. 782-787. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.07.142.
Dhanglert N., Niyomwas S., Chanadee T. Experimental Study of Combustion Synthesis in Air of ZrB2-Mullite Composite from Different Zirconium Silicate Sources. Russ. J. Non-ferrous Metals. 2018. V. 59. N 4. P. 440-449. DOI: 10.3103/s1067821218040053.
Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. Int. Mater. Rev. 2016. V. 62. N 4. P. 203-239. DOI: 10.1080/09506608.2016.1243291.
Mansurov Z.A., Fomenko S.M., Alipbayev A.N., Abdulkarimova R.G., Zarko V.Ye. Features of alumothermal combustion based on chromium oxide under high nitrogen pressure. Fizika goreniya I vzryva. 2016. V. 52. N 2. P. 67-75 (in Russian). DOI: 10.15372/FGV20160208.
Fomenko S.M., Mansurov Z.A., Bekdzhanova M.T., Korkembai Zh., Alipbaev A.N. Aluminothermic combustion in Al-ZrSiO4-N2 and Al-SiO2-N2 systems under high nitrogen pressure Gorenie Plazmokhim. 2013. V. 11. N 3. P. 200-211 (in Russian).
Batkal A.N., Temirlanova G.K., Satybaldiyev Ye.M., Seydualiyeva A.ZH., Abdulkarimova R.G. Self-propagating high-temperature synthesis of refractory powder materials based on zirconium diboride from boron-containing mineral raw materials of the Republic of Kazakhstan. Vestn. KazNU. Ser. Khim. 2018. V. 90. N 3. P. 4-11 (in Russian). DOI: 10.15328/cb982.
Yeh C. L., Liou G.T. Aluminothermic reduction of ZrSiO4 in the presence of carbon for in situ formation of Zr-based silicides/carbides composites. J. Alloys Compd. 2019. V. 775. P. 360-365. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.10.130.
Yeh C.L., Wang Y.H. Preparation of ZrB2-SiC-Al2O3 composites by SHS method with aluminothermic reduction. Ceram. Int. 2021. V. 47. N 8. P. 11202-11208. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.12.245.
Ryu H.Y., Nersisyan H.H., Lee J.H. Preparation of zirconium-based ceramic and composite fine-grained powders. Int. J. Refract. Metals. Hard Mater. 2012. V. 30. N 1. P. 133-138. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2011.07.015.
Chukhlomina L.N., Vitushkina O.G., Avramchik A.N. Interaction of ferrosilicon with nitrogen in the presence of zircon and ilmenite concentrates in the process of self-propagating high-temperature synthesis. Russ. J. Non-ferrous Metals. 2013. V. 54. N 4. P. 336-340. DOI: 10.3103/S1067821213040044.
Kryukova O., Avramchik A. Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Si3N4-SiC Using Ferrosilicium and Shungite. Proceedings 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE). Tomsk. 2020. P. 1209-1212. DOI: 10.1109/EFRE47760.2020.9242028.
Kryukova O.G., Bolgaru K.A., Avramchik A.N. Com-bustion of Ferrosilicon–Zircon Mixtures in Nitrogen Gas: Impact of Aluminum Additives. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2021. V. 52. N 6. P. 402-404. DOI: 10.1007/s11148-012-9450-1.
Vitushkina O.G., Chukhlomina L.N., Vereshchagin V.I. Preparation of Si3N4-ZrO2 ceramic composites by self-propagating high-temperature synthesis. Refract. Ind. Ceram. 2012. V. 52. N 6. P. 402-404. DOI: 10.1007/s11148-012-9450-1.
Chukhlomina L.N., Maksimov Yu.M., Vereshchagin V.I. Self-propagating high-temperature synthesis of composite nitride-containing ceramic materials. Novosibirsk: Nau-ka. 2012. 260 p. (in Russian).
State diagrams of binary metal systems: Spravochnik. V. 3. Book 2. Ed by N.P. Lyakishev. M.: Mashinostroyeniye. 2000. 448 p. (in Russian).
Samsonov G.V., Dvorina L.A., Rud' B.M. Silicides. M.: Metallurgiya. 1979. 272 p. (in Russian).
Iatsyuk I.V., Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Novikov A.V., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu. Features of production and high-temperature oxidation of SHS-ceramics based on zirconium boride and zirconium silicide. Izv, vuzov. Po-roshk. Metallurgiya Funkts. Pokrytiya. 2017. N 1 Р. 29-41 (in Russian). DOI: 10.17073/1997-308X-2017-1-29-41.
