Синтез нитридсодержащего композита при азотировании смеси ферросилиций – шунгит в режиме горения

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Осуществлен синтез порошкового композита Si3N4–SiC–Si2N2O–Fe3C–Fe в режиме послойного горения с использованием в качестве сырья пылевидных отходов ферросилиция и шунгита. Установлено влияние основных параметров синтеза (состав смеси, давление газа) на фазовый состав продуктов горения. Микроструктура продуктов горения представлена сростками мелких ограненных кристаллов и кристаллами в виде тонких пластин неправильной формы. Исследован процесс высокотемпературного взаимодействия смеси ферросилиций – шунгит с газообразным азотом с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии. Показано, что при температуре 600–1070 ºС происходит выгорание шунгитового углерода. Процесс активного азотирования ферросилиция осуществляется при температуре более 1270 ºС. Изучен механизм химических превращений при взаимодействии ферросилиция с добавками шунгита в атмосфере азота.

About the authors

О. Г. Крюкова

Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: o.krjukova@hq.tsc.ru
Russian Federation, Томск

Т. В. Татаринова

Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук

Email: o.krjukova@hq.tsc.ru
Russian Federation, Томск

References

  1. Плясункова Л.А., Келина И.Ю., Чевыкалова Л.А. Микроструктура и свойства керамоматричных композитов в системе Si3N4-SiCf // Новые огнеупоры. 2013. № 5. С. 28. [Plyasunkova L.A., Kelina I.Y., Chevykalova L.A. The microstructure and the properties of ceramic-matrix based material in the SI3N4–SICF system. // Refract. Ind. Ceram. 2013. V. 54. № 3. P. 196. https://doi.org/10.1007/s11148-013-9574-y].
  2. Перевислов С.Н., Несмелов Д.Д. Свойства композиционной керамики на основе SiC и Si3N4 с наноразмерной составляющей // Стекло и керамика. 2016. Т. 89. № 7. С. 15. [Perevislov S.N., Nesmelov D.D. Properties of SiC and Si3N4 based composite ceramics with nanosizes components // Glass Ceram. 2016. V. 73. № 7–8. P. 249. https://doi.org/10.1007/s10717-016-9867-y].
  3. Gabrišova Z., Švec P., Brusilova A. Microstructure and selected properties of Si3N4 + SiC composite // Manuf. Technol. 2020. V. 20. № 3. P. 293. https://doi.org/10.21062/mft.2020.056
  4. Yurkov A., Malakho A., Avdeev V. Corrosion behavior of silicon nitride bonded silicon carbide refractory material by molten copper and copper slag // Ceram. Int. 2017. V. 43. № 5. P. 4241. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.12.064
  5. Юрков А.Л., Малахо А.П., Авдеев В.В. Коррозия и окисление карбида кремния на нитридной связке в бортовой футеровке алюминиевых электролизеров // Новые огнеупоры. 2019. № 1. С. 43. [Yurkov A.L., Malakho A.P., Avdeev V.V. Corrosion and oxidation of silicon carbide on the nitride bond in the side lining of aluminum electrolysis cells // Refract. Ind. Ceram. 2019. V. 60. № 1. P. 61. https://doi.org/10.1007/s11148-019-00309-x]. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-1-43-48
  6. Jiang Y., Wu LE., Sun WZ. Sintering behavior and properties of SiC/Si3N4 composite // Rare Met. 2015. V. 34. P. 95. https://doi.org/10.1007/s12598-013-0187-x
  7. Shahrestani S., Ismail M.C., Kakooei S., Beheshti M. Microstructure, phase compositions and mechanical properties of slip cast sintered SiC/Si3N4 composites// Ceram. Int. 2021. V. 47. № 9. P. 13173. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.01.182
  8. Перевислов С.Н., Несмелов Д.Д., Томкович М.В. Получение материалов на основе SiC и Si3N4 методом высокоимпульсного плазменного спекания // Вестн. ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2013. № 2–2. С. 107–114.
  9. Lysenkov A.S., Kim K.A., Titov D.D., Frolova M.G., Kargin Yu.F., Petrakova N.V. et al. Composite material Si3N4/SiC with calcium aluminate additive // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. 1134. 012036. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1134/1/012036
  10. Pezzotti G. ChemInform Abstract: Si3N4/SiC-Platelet composite without sintering aids, a candidate for gas turbine engines // J. Am. Ceram. Soc. 1993. V. 76. P. 1313. https://doi.org/10.1002/chin.199330007
  11. Khajelakzay M., Bakhshi S.R. Optimization of spark plasma sintering parameters of Si3N4-SiC composite using response surface methodology (RSM)// Ceram. Int. 2017. V. 43. P. 6815. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.02.099
  12. Wang Y., Liu W., Guo J., Li M., Fan B., Wang H. et al. In situ formation of Si3N4–SiC nanocomposites through polymer-derived SiAlCN ceramics and spark plasma sintering // Ceram. Int. 2021. V. 47. № 15. P. 22049. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.04.225
  13. Klimczyk P. Mechanical Properties of Si3N4-SiC Composites Sintered by HPHT Method// Adv. Sci. Technol. 2010. V. 63. P. 396. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ast.63.396
  14. Khajelakzay M., Bakhshi S.R. Mechanical Properties of Si3N4-SiC Composites Sintered by HPHT Method // Ceram. Int. 2017. V. 43. № 9. P. 6815. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.02.099
  15. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: Изд. дом МИСиС, 2011.
  16. 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. № 4. P. 203. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1243291
  17. Lis J. Self-propagating high-temperature synthesis // Encyclopedia Mater. Tech. Ceram. Glasses. 2021. V. 1. P. 40. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.12076-4
  18. Kata D., Lis J., Pampuch R., Stobierski L. Preparation of fine powders in the Si–C–N system using SHS method // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 1998. V. 7. № 4. P. 475.
  19. Хачатрян Г.Л., Арутюнян А.Б., Харатян С.Л. Активированное горение кремний-углеродной смеси в азоте и CBC композиционных керамических порошков Si3N4/SiC и карбида кремния // Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42. № 5. С. 56. [Khachatryan G.L., Arutyunyan A.B., Kharatyan S.L. Activated combustion of a silicon–carbon mixture in nitrogen and SHS of Si3N4–SiC composite ceramic powders and silicon carbide// Combust. Explos. Shock Waves. 2006. V. 42. № 5. P. 543. https://doi.org/10.1007/s10573-006-0086-7].
  20. Баринова Т.В., Баринов В.Ю., Ковалев И.Д. Влияние добавок оксалата железа на фазовый состав продуктов горения смесей кремния и углерода в азоте // Неорганические материалы. 2019. Т. 55. № 1. С. 39. [Barinova T.V., Barinov V.Y., Kovalev I.D. Effect of Iron Oxalate Additions on the Phase Composition of Combustion Products of Silicon–Carbon Mixtures in Nitrogen // Inorg. Mater. 2019. V. 55. № 1. P. 37. https://doi.org/10.1134/S0020168519010023]. https://doi.org/10.1134/S0002337X19010020
  21. Баринова Т.В., Боровинская И.П. Некоторые особенности горения кремния в азоте в присутствии добавок органических соединений // Неорганические материалы. 2014. Т. 50. № 11. С. 1169. [Barinova T.V., Borovinskaya I.P. Some specific features of the combustion of silicon in nitrogen in the presence of organic additives // Inorg. Mater. 2014. V. 50. № 11. P. 1078. https://doi.org/10.1134/S0020168514100045]. https://doi.org/10.7868/S0002337X14100042
  22. Титова Ю.В., Амосов А.П., Ермошкин А.А., Марков Ю.М., Хусаинова Т.Н., Попова А.В. Получение нанопорошка карбида кремния и композиции на его основе по азидной технологии СВС // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 3. С. 43.
  23. Амосов А.П., Белова Г.С., Титова Ю.В., Майдан Д.А. Синтез высокодисперсной порошковой керамической композиции SI3N4–SIC при горении компонентов в системе SI–C–NAN3–NH4F // Журнал неорганической химии. 2022. Т. 67. № 2. С. 139. [Amosov A.P., Belova G.S., Titova Y.V., Maidan D.A. Synthesis of Highly Dispersed Powder Ceramic Composition Si3N4–SiC by Combustion of Components in the Si–C–NaN3–NH4F System// Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 2. P. 123. https://doi.org/10.1134/S0036023622020024]. https://doi.org/10.31857/S0044457X22020027
  24. Амосов А.П., Титова Ю.В., Белова Г.С., Майдан Д.А., Минеханова А.Ф. СВС высокодисперсных порошковых композиций нитридов с карбидом кремния. Обзор // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2022. № 4. С. 34. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-4-34-57
  25. Мержанов А.Г. Термически сопряженные процессы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Доклады академии наук. 2010. Т. 434. № 4. С. 489. [Merzhanov A.G. Thermally coupled processes of self-propagating high-temperature synthesis// Dokl. Phys. Chem. 2010. V. 434. № 2. P. 159. https://doi.org/10.1134/S0012501610100015].
  26. Kharatyan S.L., Merzhanov A.G. Coupled SHS Reactions as a useful tool for synthesis of materials: An overview // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2012. V. 21. № 1. P. 59. https://doi.org/10.3103/S1061386212010074
  27. Чухломина Л.Н., Максимов Ю.М., Китлер В.Д., Витушкина О.Г. О механизме и закономерностях азотирования ферросилиция в режиме горения // Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42. № 3. С. 71. [Chukhlomina L.N., Maksimov Yu.M., Kitler V.D., Vitushkina O.G Mechanism and features of nitriding of ferrosilicon in the combustion regime// Combust. Explos. Shock Waves. 2006. V. 42. № 3. P. 309. https://doi.org/10.1007/s10573–006–0056–0].
  28. Чухломина Л.Н., Максимов Ю.М., Верещагин В.И. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез композиционных нитридсодержащих керамических материалов. Новосибирск: Наука, 2012.
  29. Чухломина Л.Н., Витушкина О.Г., Аврамчик А.Н. Взаимодействие ферросиляция с азотом в присутствии цирконового и ильменитового концентратов в процессе СВС // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2011. № 3. С. 28. [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. № 4. P. 336. https://doi.org/10.3103/S1067821213040044]
  30. Kryukova O., Avramchik A. Self-propagating high-temperature synthesis of Si3N4-SiC using ferrosilicium and shungite // Proc. 7th Inter. Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE). 2020. P. 1209. https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9242028
  31. Kryukova O.G., Bolgaru K.A., Avramchik A.N. Preparation of Si3N4–ZrO2 ceramic composites by self-propagating high-temperature synthesis // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2021. V. 52. № 6. P. 402. https://doi.org/10.1007/s11148-012-9450-1
  32. Полунина И.А., Высоцкий В.В., Сенчихин И.Н., Полунин К.Е., Гончарова И.С., Петухова Г.А., Буряк А.К. Влияние модифицирования на физико-химические характеристики шунгита // Коллоидный журнал. 2017. Т. 79. № 2. С. 192. [Polunina I.A., V.V. Vysotskii, I.N. Senchikhin, Polunin K.E., Goncharova I.S., Petukhova G.A., Buryak A.K. The effect of modification on the physicochemical characteristics of shungite // Colloid J.V. 79. № 2. P. 244. https://doi.org/10.1134/S1061933X17020107]. https://doi.org/10.7868/S0023291217020100
  33. Садовничий Р.В., Рожкова Н.Н. Минеральные ассоциации высокоуглеродистых шунгитовых пород максовской залежи (Онежская структура) // Труды Карельского научного центра РАН. 2014. № 1. С. 148.
  34. Садовничий Р.В., Михайлина А.А., Рожкова Н.Н., Инина И.С. Морфологические и структурные особенности кварца шунгитовых пород Максовской залежи // Труды Карельского научного центра РАН. 2016. № 2. С. 73. https://doi.org/ 10.17076/geo126

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies