авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Людмила александровна самораспространяющийся высокотемпературный синтез микро- и нанопорошков нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама с применением азида н

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Экз.№ ________

ШИГАНОВА

Людмила Александровна

САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ

МИКРО- И НАНОПОРОШКОВ НИТРИДОВ

ТИТАНА, ХРОМА, МОЛИБДЕНА И ВОЛЬФРАМА

С ПРИМЕНЕНИЕМ АЗИДА НАТРИЯ И ГАЛОГЕНИДОВ

01.04.17 – химическая физика, горение и взрыв,

физика экстремальных состояний вещества

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара - 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

БИЧУРОВ Георгий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ЮХВИД Владимир Исаакович

кандидат технических наук, доцент

МАЙДАН Дмитрий Александрович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Национальный исследовательский

технологический университет МИСиС

Защита состоится: __ _________ 2010 года в ___ часов___ минут на заседании диссертационного совета Д 212.217.01 при ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, аудитория 500.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.01 по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус; факс: (846) 278-44-00.

Автореферат разослан «___»____________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.01

доктор физико-математических наук,

профессор Д.М.Гуреев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертационной работе представлены результаты исследований процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) нано- и микропорошков нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама с применением азида натрия и галогенидов. Разработаны рекомендации по организации технологического процесса получения порошков нитридов в системах "Галогенид азотируемого элемента – азид натрия" по азидной технологии СВС в условиях опытно-промышленного производства.

Актуальность работы. Порошки титана и переходных металлов VI группы периодической системы элементов (Cr, Mo, W) имеют перспективу все более широкого применения в современной промышленности и технике. Однако традиционные технологии их получения (печной способ и плазмохимический синтез) связаны с большим энегопотреблением, длительностью синтеза, сложным крупногабаритным оборудованием и не всегда обеспечивают требуемые характеристики продукции, в том числе и наноразмерность, которой в последнее время уделяется особое внимание.



Открытый в 1967 году российскими учеными А.Г.Мержановым, И.П.Боровинской и В.М.Шкиро способ самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) тугоплавких соединений, в том числе нитридов, позволил устранить основные недостатки традиционных технологий. Процесс СВС идет за счет собственного тепловыделения горения в простом малогабаритном оборудовании и занимает мало времени.

Классическим методом СВС с использованием газообразного азота в качестве азотирующего элемента удалось получить нитриды титана и хрома в виде спеков, размол которых и дает порошки этих нитридов, в том числе и микропорошки, но не нанопорошки. Но нитриды молибдена и вольфрама классическим методом СВС получить не удается, так как реакция образования нитрида молибдена Mo + N2 является слабоэкзотермичной, а реакция образования нитрида вольфрама W + N2 и вовсе эндотермичной.

Для решения задачи получения микро- и нанопорошков нитридов Ti, Cr, Mo, W по ресурсосберегающей технологии СВС весьма перспективно использование такой ее разновидности как азидная технология СВС, которая обозначается как СВС-Аз и с 1970 года разрабатывается в Самарском государственном техническом университете. Технология СВС-Аз основана на использовании азида натрия NaN3 в качестве твердого азотирующего реагента и галоидных солей различного состава. За счет тепловыделения реакции взаимодействия азида натрия с галоидной солью можно реализовать процесс СВС нитридов молибдена и вольфрама. А за счет низких температур горения и наличия побочных продуктов синтеза, затрудняющих процессы рекристаллизации, агломерации и увеличения размера частиц целевых нитридов, получить наноразмерные или близкие к ним субмикронные порошки нитридов всех указанных элементов (Ti, Cr, Mo, W).

Таким образом, исследование и разработка процесса СВС-Аз для получения

микро- и нанопорошков нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с государственными программами с 2002 по 2009 годы включительно, в том числе по Государственному контракту № 02.467.11.2003 от 30 сентября 2005 года на выполнение комплексного проекта ИН-КП.3/001 по теме "Разработка технологий получения новых функциональных градиентных материалов, в том числе алмазосодержащих и дисперсно-упрочненных наночастицами, и освоение их производства" (приоритетное направление "Индустрия наносистем и материалов" (VI очередь, лот 2) Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы), финансируемый Федеральным агентством по науке и инновациям; по Проекту Российского фонда фундаментальных исследований "Разработка научных основ получения наноразмерных порошков тугоплавких нитридов в режиме горения", номер проекта РФФИ 07-08-12241-офи, срок проведения работ 2007-2008; по тематическим планам СамГТУ на 2005-2007 и 2008-2009 годы по темам "Разработка теоретических основ взаимосвязи состава и структуры материалов инструментального назначения с их свойствами и усовершенствование методов их получения и обработки" и "Исследование закономерностей и условий образования нановолокон нитридов алюминия и титана в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с использованием азида натрия и галоидных солей".

Цель работы. Установление закономерностей самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама с использованием азида натрия и галоидных солей и разработка рекомендаций по соответствующей технологии производства этих порошков.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1) Выбор оптимальных систем для синтеза микро- и нанопрошков нитридов в режиме СВС-Аз.

2) Исследование закономерностей горения систем "Хром (молибден, вольфрам) – азид натрия – галогенид" и "Гексафтортитанат аммония - азид натрия".

3) Исследование структурообразования микро- и нанопорошков нитридов в режиме СВС-Аз.

4) Построение химической модели образования нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама в режиме СВС-Аз.

5) Определение технологических условий, управляющих химическим и фазовым составом продуктов синтеза.

6) Разработка рекомендаций по организации технологического процесса получения нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама в режиме СВС-Аз.

Объект исследования. Микро- и нанопорошки нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама, полученные методом СВС-Аз.

Предмет исследования. Физико-химичекие процессы нитридообразования, формирования фазового состава, структуры синтезированных нитридов.

Научная новизна работы. Впервые установлены закономерности образования нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама в режиме горения в системах "Хром (молибден, вольфрам) – азид натрия – галогенид" и "Гексафтортитанат аммония - азид натрия". При этом получены результаты, обладающие научной новизной:

1) Установлено, что использование в процессах горения твердых азотсодержащих соединений позволяет достичь высокой концентрации реагирующих веществ в зоне синтеза, в результате чего фильтрационный подвод газа не лимитирует процесс азотирования, и целевые продукты синтеза имеют высокую степень превращения и, соответственно, чистоты.

2) Показано, что при синтезе нитрида титана в системе "Гексафтортитанат аммония - азид натрия", реакция проходит в газовой фазе с образованием нанопорошка нитрида титана.

3) Исследованы закономерности горения систем "Хром (молибден, вольфрам) – азид натрия – галогенид" и "Гексафтортитанат аммония - азид натрия".

4) Исследовано структурообразование нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама и построена химическая модель их образования в системах "Хром (молибден, вольфрам) – азид натрия – галогенид" и "Гексафтортитанат аммония - азид натрия".

5) Исследован процесс и условия получения нанопорошка нитрида титана в системе "Гексафтортитанат аммония - азид натрия".

Достоверность научных результатов работы обусловлена тем, что при экспериментальном исследовании процессов горения и анализе продуктов синтеза использовались современные аттестованные методы и методики: использование современного программного обеспечения для выполнения аналитических расчетов; термопарные методы с применением аналогоцифрового преобразователя; методы рентгенофазового, химического и электронно-микроскопического анализов; а также сопоставление полученных данных с результатами научных исследований других источников.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1) Разработаны рекомендации по организации технологического процесса получения опытных партий порошков нитридов хрома, молибдена и вольфрама в системе Cr (Mo, W) - NaN3 - галогенид и нитрида титана в системе Гексафтортитанат аммония – азид натрия по азидной технологии СВС в условиях опытно-промышленного производства. Даны рекомендации по решению основных экологических вопросов, связанных с утилизацией отходов технологии СВС-Аз и по контролю готовой продукции.

2) Порошки нитридов марки СВС-Аз могут быть реализованы в качестве керамических горячепрессованных образцов деталей и изделий газотурбинного двигателя; в качестве основы конструкционной керамики с высокими значениями прочности и эрозионной стойкости; в качестве основы неперетачиваемых режущих пластин; в составе новых функциональных градиентных материалов, упрочненных наночастицами.

3) Организации, заинтересованные в процессах и продуктах СВС-Аз: Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (Самара), АО "Самарский научно-технический комплекс "Двигатели НК", ОАО "Поволжский НИИ материалов и технологии авиационных двигателей" (Самара), ОАО "НПО Поволжский авиационный технологический институт" (Самара), НИИ технологии и проблем качества при Самарском государственном аэрокосмическом университете, Международный исследовательский центр порошковой металлургии и новых материалов (Хайдарабад, Индия).

4) Разработка нового способа получения нитридов переходных металлов IV и VI групп расширяет номенклатуру продуктов, синтезируемых, в частности, по азидной технологии СВС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах и конференциях: Международной молодежной конференции "Гагаринские чтения" (Москва, 2005); XVI Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов" (Самара, 2006), Международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" (Самара, 2006), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Высокие технологии в машиностроении" (Самара, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009); IV Международной конференции "Перспективные полимерные композиционные материалы" (Энгельс, 2007), XIX Международной интернет-конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС пробмаш) (2007); Конференции студенческих научных коллективов НТП "Развитие научного потенциала студенческих научных коллективов "Наука молодая" (Самара, 2007); XIV Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2008); V Международной научно-практической конференции "Нанотехнологии-производству 2008" (Фрязино, 2008); IV Международной школы-семинаре "Высокотемпературный синтез новых перспективных наноматериалов (СВС-2008)" (Барнаул, 2008); III Международной научно-технической конференции "Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования" (Металлдеформ-2009) (Самара, 2009); XV международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых (Томск, 2009), Всероссийской молодежной конференции и школе-семинаре "НАнотехнологии и инНовации" (НАНО-2009). Результаты работы были также представлены на Первом Международном форуме по нанотехнологиям "Роснанотех" (Москва, 2008).





Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 34 работах, 4 статьи из которых в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен 1 патент РФ.

Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в данной работе получены автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное участие в обсуждении идей, экспериментах, обработки полученных результатов, исследовании структуры полученных порошков, написания статей, докладов, разработке рекомендаций по организации технологического процесса получения нитридов и внедрению технологического процесса для наработки опытных партий порошков нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 218 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 49 таблицы и состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка использованных источников (222 наименования) и приложения на 22 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы, цель и задачи работы, отражает научную новизну, практическую значимость и реализацию результатов работы. Представлены сведения об апробации и достоверности научных результатов работы. Отмечается, что результаты исследований являются новыми, ранее не изучавшимися и в этом отношении представляют научный интерес.

В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертационной работы, состоящий из четырех подразделов и выводов. В главе изложены физико-химические свойства, области применения и способы получения нитридов. Проанализированы преимущества и недостатки традиционных технологий получения нитридов: синтез в электропечах сопротивления, плазмохимический синтез; уделено внимание нетрадиционным способам получения нитридов – распыление металлических порошков, осаждение из газовой фазы, восстановление оксидов, пиролиз. Более детально рассмотрен классический процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), как основной процесс получения нитридов.

Показана целесообразность и актуальность использования в процессах СВС твердых азотсодержащих соединений, в частности, азида натрия и галоидных солей (СВС-Аз) для получения порошков нитридов с высокими физико-химическими характеристиками и волокнистой морфологии с улучшенной кристаллической структурой за счет прохождения реакций в газовой фазе.

Вторая глава посвящена выбору методик, приборов и оборудования, предназначенных для получения и исследования нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама. Изучение процесса синтеза нитридов в режиме СВС-Аз, измерение линейных скоростей и температур горения проводились на лабораторной установке СВС-Аз, основным элементом которой являлся лабораторный реактор СВС-Аз постоянного давления с рабочим объемом 4,5 л. Температура и скорость горения определялись термопарным методом с использованием вольфрам-рениевых термопар ВР 5/20. Регистрация температуры и скорости горения осуществлялась с помощью аналого-цифрового преобразователя, подсоединенного к компьютеру. Методы исследования продуктов синтеза включали химический (установки для анализа нитридов на содержание азота по методам Къельдаля и Дюма), рентгенофазовый (Дрон-3,0 и Дифрактометр ARL X’trA-138) и микроскопический (растровый электронный микроскоп Jeol JSM-6390А) анализы. В разделе дана характеристика исходного сырья и материалов, используемых для синтеза нитридов.

В третьей главе содержатся результаты термодинамического анализа возможности образования нитридов в режиме СВС-Аз в исследуемых системах. Термодинамический анализ проводился на ЭВМ по компьютерной программе "Thermo", разработанной в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН). Расчет адиабатической температуры реакции проводился в предположении отсутствия потерь тепла из зоны химической реакции и с учетом полного превращения реагентов в системах. Были построены зависимости равновесных концентраций продуктов от соотношения компонентов в шихте, от давления азота и от добавки титана в исходной шихте.

На основании проведенных термодинамических расчетов можно сделать вывод о том, что все предложенные системы СВС-Аз способны к самостоятельному горению. Причем, для большинства из них температуры горения и тепловой эффект реакции достаточны для образования соответствующих нитридов. Исключение составляет синтез нитрида вольфрама, реакция образования которого W + N2 – эндотермична. Здесь образование нитрида вольфрама происходит за счет тепла реакции "6NaN3 - NH4F (NH4Cl)".

В четвертой главе представлены результаты исследований закономерностей горения азидных систем и синтеза нитридов Ti, Cr, Mo, W. Исследовано влияние соотношения исходных компонентов в системе, давления азота в реакторе, плотности исходной шихты, диаметра образца, размера частиц азотируемого элемента на температуру и скорость горения, содержание азота в нитриде и кислотно-щелочной баланс продукта. Построены графические зависимости и проведено их обсуждение. На каждую точку кривых было проведено не менее 5 экспериментов. Средние значения выходного параметра горения и синтеза аппроксимировались. Определены оптимальные технологические условия синтеза порошков нитрида титана и нитридных композиций нитрид хрома-хром, нитрид молибдена-молибден и нитрид вольфрама-вольфрам в режиме СВС-Аз

При выборе оптимальных систем СВС-Аз для синтеза нитрида титана, хрома, молибдена и вольфрама учитывались результаты термодинамических расчетов, наличие сырьевой базы галоидных солей и результаты предварительных (пробных) экспериментов, проводимых с целью исследования возможности синтеза целевого продукта.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.