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 |

Синтез керамических прекурсоров сжиганием в воздухе смесей порошков, активированных нанопорошками алюминия, железа и меди

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Амелькович Юлия Александровна

СИНТЕЗ КЕРАМИЧЕСКИХ ПРЕКУРСОРОВ СЖИГАНИЕМ В ВОЗДУХЕ СМЕСЕЙ ПОРОШКОВ, АКТИВИРОВАННЫХ НАНОПОРОШКАМИ АЛЮМИНИЯ, ЖЕЛЕЗА И МЕДИ

05.17.11 – Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск 2008

Работа выполнена в НИИ ВН Томского политехнического университета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Ильин Александр Петрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор Хабас Тамара Андреевна Смирнов Серафим Всеволодович
Ведущая организация: Сибирский химический комбинат, г. Северск

Защита состоится 16 декабря 2008 г. в 14.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.08 в Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, корп. 2, ауд. 117, тел.(3822)-563169.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан 14 ноября 2008 г.

Ученый секретарь

совета по защите докторских и

кандидатских диссертаций,

кандидат технических наук Петровская Т.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность 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 Федерации 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:

1. Определить параметры химической активности исходных нанопорошков алюминия, железа и меди и их смесей с грубодисперсными порошками (простыми веществами, оксидами и солями).

2. Исследовать фазовый состав и содержание компонентов в продуктах сгорания порошковых смесей, активированных нанопорошками различной химической активности: алюминия, железа и меди.

3. Изучить морфологические и наноструктурные характеристики продуктов сгорания смесей порошков, активированных нанопорошками Al, Fe и Cu.

4. Установить взаимосвязь между содержанием AlN в продуктах сгорания порошковых смесей, активированных НПAl, и свойствами порошкообразных веществ.

5. Определить пороговые значения теплового эффекта окисления нанопорошков, необходимого для протекания взаимодействия между компонентами смеси.

6. Разработать перечень характеристик и свойств керамических материалов как критериев отнесения их к прекурсорам.

Научная новизна работы

1. Установлено, что химически инертные грубодисперсные порошки ZrO2, MgSO4 и СaSO4 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.

2. 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 AlN достигнут при горении смеси нанопорошка алюминия и графита (73 мас.%).

3. Впервые установлено, что при сгорании в воздухе смесей нанопорошка алюминия с TiO2 и ZrO2 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 Al2S3 (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:

1. Состав исходных порошков смесей, активированных нанопорошками алюминия, железа, меди и состав продуктов синтеза их сжиганием в воздухе.

2. Величины параметров химической активности нанопорошков алюминия, железа и меди с порошкообразными веществами различной природы: с простыми веществами, с оксидами и с солями.

3. Морфологические и наноструктурные характеристики продуктов синтеза сжиганием порошковых смесей, активированных нанопорошками алюминия, железа и меди.

4. Условия синтеза в воздухе нитридсодержащих керамических материалов с регулируемым содержанием фаз нитридов.

5. Состав порошковых смесей TiO2 и ZrO2, 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, поставлена цель, определены задачи исследований, сформулирована научная новизна результатов исследований, отражена их практическая значимость, приведены сведения об апробации и публикациях основных результатов работы.

В первой главе проведён анализ литературных данных по современным способам получения и свойствам оксидно-нитридных керамических материалов. Выявлены преимущества и недостатки тех или иных методов получения. Обоснован выбор применения синтеза сжиганием для получения керамических прекурсоров. Кроме того, изучены физико-химические свойства керамических и металлокерамических материалов, содержащих оксиды алюминия, железа и меди. В соответствии с результатами проведённого литературного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приводятся данные о применяемых в работе методах исследований исходных материалов, промежуточных и конечных продуктов, а также представлена методика приготовления керамических образцов.

В работе были изучены нанопорошки алюминия (НПAl), железа (НПFe) и меди (НПCu), полученные с помощью электрического взрыва соответствующих проводников в среде аргона. Частицы имеют сферическую форму, среднеповерхностный диаметр размер частиц 30-150 нм. В качестве добавок простых веществ использовались порошки графита, кремния, серы и цинка. Добавки-оксиды: Al2O3, TiO2, ZrO2 и SiO2. Добавки-соли: MgSO4, CaSO4, MgCO3, CaCO3, MgSiO3, CaSiO3, FeSiO3, Ca3(PO4)2 и Mg3(PO4)2.

При исследовании свойств исходных нанопорошков металлов и полученных образцов применяли рентгенофазовый анализ (ДРОН-3М, Siemens D5005), термический анализ образцов с использованием термоанализатора Q 600 Научно-аналитического центра Томского политехнического университета, дифференциальный термический анализ (ДТА, дериватограф Q-1500, системы Паулик-Паулик-Эрдей) исследуемых материалов, электронную микроскопию (JSM-840), а также методы определения площади удельной поверхности (по методу БЭТ) и насыпной плотности порошков.

Реакционная способность нанопорошков и их смесей с неорганическими веществами определялась по данным ДТА. Оценка реакционной способности проводилась по трём параметрам: температура начала окисления (tно, С), степень превращения (, %), максимальная скорость окисления (max, масс.%/мин.). Необходимость изучения параметров химической активности обусловлена требованиями разрабатываемой технологии: для определения условий безопасной работы как с самими нанопорошками, так и с их смесями и как тест на исходное сырьё для использования его в синтезе сжиганием. Температура начала окисления является параметром, с помощью которого можно установить наличие пирофорности нанопорошков и их смесей: если температура начала окисления близка к комнатной, то такие вещества пирофорны.

Для проведения синтеза сжиганием готовились смеси нанопорошков с неорганическими добавками в соотношении 1:1 по молекулярной массе. Добавки подвергались предварительному измельчению (< 63 мкм), а средне-поверхностный диаметр частиц металлических порошков (Al, Fe, Cu) находился в нанометровом диапазоне. Смешивание проводилось сухим методом с последующим трёхкратным просеиванием смеси через сито (размером ячеек 63 мкм) для достижения однородности массы.

В третьей главе приведены результаты изучения реакционной способности НПAl с различными неорганическими веществами: с металлами и неметаллами, с оксидами, с солями при нагревании в воздухе, а также определён состав нитридсодержащих продуктов их сгорания в воздухе. При сгорании 1 моля алюминия с образованием Al2O3 выделяется 837 кДж/моль, что позволяет отнести алюминий к одному из наиболее эффективных активаторов процесса синтеза сжиганием.

Согласно ДТА, температура начала окисления образца с графитом уменьшилась, по сравнению с исходным образцом НПAl, и достигла 440 °С (табл.1, обр.2), присутствие меди в НПAl способствовало снижению температуры до 160 °С, а железа – до 250 °С, кремний не повлиял на этот параметр активности. При этом достижению высоких степеней превращения НПAl способствовало только присутствие графита и кремния.

Таблица 1 Параметры химической активности нанопорошка алюминия в смесях с C, Si, Cu, Fe

Состав Температура начала процесса окисления, Тно (± 5), °C Степень окисленности металла, * (±2 %), % Максимальная скорость окисления, Vок, мас. %/мин.
1 нанопорошок Al 500 47,5 4,8
2 нанопорошок Al:Cгр= =69% : 31% 440 81,3 2,5
3 нанопорошок Al:Si= =49% : 51% 500 79,3 1,6
4 нанопорошок Al: нанопорошок Cu= =30%:70% 160 41,7 1,7
5 нанопорошок Al: нанопорошок Fe= =33%:67% 250 18,3 4,0

* - расчет степени окисленности () проводился в пересчете на содержание нанопорошка Al в образце

Синтез сжиганием нанопорошка алюминия в смеси с простыми веществами – неметаллами (Cгр и Si) в воздухе характеризуется высокотемпературным горением с образованием агломератов диаметром 1-3 мкм (рис. 1а). Фазовый состав продуктов горения представлен нитридами, силицидами алюминия, а также имеются оксиды и остаточные исходные продукты. Микроанализ нитридсодержащих продуктов сгорания НПAl показал наличие нитевидных кристаллов, в т.ч. и в дезагрегированных смесях, исключение составляют продукты сгорания смеси НПAl с графитом, где нитевидные кристаллы обнаружены не были (рис. 1).

Сжигание смесей нанопорошка алюминия с металлами (Zn, Cu и Fe) сопровождается высокой температурой. Фазовый состав продуктов представлен нитридами алюминия, а также оксидами и интерметаллидами. Продукты сжигания – нитевидные кристаллы длиной от 2 до 7 мкм.

Характерной особенностью взаимодействия НПAl с Al2O3, ZrO2, TiO2 и SiO2 при нагревании, по данным термического анализа, является увеличение температуры начала окисления и степени превращения металла, а также уменьшение максимальной скорости окисления смесей по сравнению с НПAl без добавок. Исключение составляет смесь НПAl с ZrO2, температура начала окисления которой уменьшилась на 44 % (с 500 °С до 280 °С).

а б


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 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.