и нанодисперсных порошков тугоплавких соединений

И.П. БОРОВИНСКАЯ, Т.И. ИГНАТЬЕВА,
В.И. ВЕРШИННИКОВ, О.М. ЕМЕЛЬЯНОВА, В.Н. СЕМЕНОВА
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН,
Черноголовка
САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ
УЛЬТРА- И НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ
ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Показана возможность применения технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для
получения субмикронных порошков тугоплавких соединений с последующим измельчением их до наноразмерных в
результате дополнительной химической обработки.
Отсутствие крупномасштабных и экономически выгодных методов производства ультра- и
нанодисперсных материалов ограничивает развитие их потенциального применения. В настоящее время для
получения тугоплавких соединений высокого качества широко используется перспективный, экологически
чистый метод – самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), сочетающий сравнительно
простую технологию с малыми внешними энергозатратами, позволяющий получать продукты с
регулируемым химическим и фазовым составом, различной дисперсности.
Экстремальные условия, характеризующие СВС, влияют не только на химический и фазовый состав
образующихся соединений, но и на морфологию и размер частиц. Установлено /1-3/, что процесс горения
сопровождается первичным структурообразованием, и в волне горения могут образовываться первичные
частицы продукта размером менее 200 нм. После окончания химической реакции размер частиц
увеличивается в результате процесса вторичного структурообразования. При химико-термической
обработке измельченного спека СВС-продукта соответствующими растворами («химическом
диспергировании») происходит удаление примесей, растворение дефектных слоев на границе кристаллитов.
В результате спек распадается на монокристаллические частицы, размеры которых могут соответствовать
размерам первичных кристаллитов, сформировавшихся во фронте горения, и не превышать 100-200 нм /4/.
Использование ультра- и нанодисперсных порошков - один из наиболее эффективных способов создания
наноматериалов. На примере получения карбида титана и карбида вольфрама различной дисперсности
показаны возможности технологии СВС с восстановительной стадией для синтеза таких порошков. В общем
виде реакции получения карбидов титана и вольфрама можно представить следующим образом:
TiО2 + Mg + C → TiC∙MgO∙Mg
WO3 + Mg + C → WC∙MgO∙Mg
Установлено, что фазовый состав и размер частиц образующихся порошков зависят от многих факторов.
Синтез проводился в условиях, оптимальных для образования ультра- и наноразмерных частиц TiC и WC.
Спеченные полупродукты содержали основной продукт TiC или WC, оксид магния, не
прореагировавший металлический магний и карбиды магния, как побочные продукты синтеза.
Процесс выделения (диспергирования) TiC и WC из продуктов синтеза, названный кислотным
обогащением, сводился к растворению магния, оксида магния и промежуточных соединений. Были изучены
системы различного состава, применяемые для кислотного обогащения. Выделенные порошки TiC и WC
содержали некоторое количество не прореагировавшего углерода и кислород в виде оксидов титана и
вольфрама.
Путем последовательного рафинирования в растворах хромовой смеси и щелочи были получены
карбиды титана и вольфрама, очищенные от примесей. При этом наблюдалось изменение дисперсности
порошков: первичные агломераты распались на более мелкие структуры TiC кубической модификации и
WC гексагональной модификации с размером частиц не более 300 нм. Установлено, что на дисперсность
конечного соединения влияет состав растворов, применяемых на стадии кислотного обогащения.
Таким образом, технология СВС с восстановительной стадией и последующим
химическим
диспергированием позволяет получать, в том числе в промышленных масштабах, высококачественные
порошки TiC и WC заданной структуры с размером частиц менее 100-200 нм.
Список литературы
1. Mukasyan A.S., Borovinskaya I.P. “Structure formation in SHS nitrides”. – Int.J.of SHS. 1992. V.1. №1. Р.55-63.
2. Шугаев В.А., Рогачев А.С., Мержанов А.Г. “Исследование структурообразования СВС-продуктов в модельных экспериментах”.
ИФЖ. 1993. Т.64. №4. С.463-468.
3. Мержанов А.Г.”Макроскопическая кинетика и современная химия”. – Труды 1-го Всесоюзн. симпоз. по макрокинетике и
газодинамике. 1984. Алма-Ата.
4. Borovinskaya I.P. “Chemical classes of the SHS processes and materials”. – Pure and Appl. Chem. 1992. V.64. 7. Р.919-940.