КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-29-00680
НазваниеРазработка научных и технологических основ получения керамических высокодисперсных нитридно-карбидных порошковых композиций заданного состава методом СВС с применением галоидных солей и азида натрия
Руководитель Титова Юлия Владимировна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" , Самарская обл
Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова композиты, нанопорошки, нитриды, карбиды, азид натрия, самораспространяющийся высокотемпературный синтез
Код ГРНТИ53.39.31
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Новая безоксидная керамика привлекает повышенное внимание исследователей из-за ее уникальных характеристик. В первую очередь, ее использование позволяет решить проблемы разрушения, интенсивного износа и коррозии при высокой температуре и сильном тепловом ударе. К числу признанных передовых керамических материалов относятся Si3N4, AlN, TiN, SiC и TiC. Изделия на основе композиций из них объединяют превосходные свойства двух материалов в одной структуре и перспективны для использования соответствующих керамических композитов с повышенными свойствами, меньшей хрупкостью, хорошей обрабатываемостью, меньшими температурами спекания по сравнению с однофазной керамикой из нитридов или карбидов. Но для получения требуемых характеристик необходимо контролировать соотношения фаз нитридов и карбидов в этих композитах. Поэтому большое внимание уделяется разработке способов получения композиций, которые могут обеспечить заданные определенные соотношения нитридных и карбидных фаз в композитах при их спекании из порошковых композиций. В настоящее время при изготовлении керамик переходят от микропорошков к высокодисперсным порошкам с размером менее 1 мкм, которые включают наноразмерные (1-100 нм) и субмикронные (0,1-1,0 мкм) порошки, так как неоднократно показано, что уменьшение размера порошков, и особенно переход к нанопорошкам и изготовление наноструктурной керамики может значительно улучшить ее свойства. Высококачественная композиционная нанокерамика может быть получена при спекании только однородной смеси нанопорошков, что практически недостижимо при механическом смешивании нанопорошков из-за их большой склонности к агломерации. Наночастицы слипаются, образуют пористые, достаточно прочные агрегаты, неоднородно распределяются среди наночастиц другой фазы, трудно уплотняются. Основная идея, которая определяет новизну настоящего исследования, заключается в разработке приемов обеспечения заданного состава порошковых нитридно-карбидных композиций при применении азидного СВС-Аз с заменой элементного порошка Si, Al, Ti на их прекурсоры - галоидные соли, которые разлагаются в волне горения, образуя элементные Si, Al и Ti и вступают в реакции азотирования и карбидизации в виде отдельных атомов, а не частиц микронных размеров конденсированного вещества. Использование порошка NaN3 в качестве азотирующего реагента позволяет при горении обеспечить азотом любое место смеси исходных реагентов и избавиться от фильтрационных затруднений. В результате этого приема удается уменьшить частицы синтезируемых методом азидного СВС нитридов и карбидов до наноразмерного уровня. Кроме того, в случае синтеза нитридно-карбидных композиций нахождение пpoдуктoв pеакций в паpo- и газooбpазном состоянии позволяет им быстро и однородно смешиваться, что недостижимо при механическом смешивании приготовленных заранее нанопорошков. Таким образом, удается также решить проблему высокой стоимости нанопорошков нитридов и карбидов, получить значительно более дешевые нанопорошки по сравнению с плазмохимическим синтезом, где цена нанопорошков составляет в среднем 150 тыс. руб. за 1 кг. Но наш опыт показал, что применение технологии СВС-Аз позволяет синтезировать высокодисперсные (менее 1 мкм) композиции AlN-SiC, TiN-SiC и Si3N4-TiC, однако в большинстве случаев количество синтезируемой в экспериментах керамической фазы SiC или TiC оказывается значительно ниже теоретического количества или даже может отсутствовать совсем. Кроме того, в случае синтеза композиций с AlN не удается исключить образование побочной трудноудалимой соли Na3AlF6. В итоге метод СВС-Аз в существующем виде не позволяет получить нитридно-карбидные композиции заданного теоретического состава и необходима доработка этого метода. Таким образом, представляет несомненный интерес исследование возможности применения метода азидного СВС для получения относительно недорогих нанопорошковых нитридно-карбидные композиции с разработкой специальных приемов обеспечения заданного теоретического состава композиций.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Белова Г.С., Титова Ю.В., Майдан Д.А., Якубова А.Ф. ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОДИСПЕРСНОЙ ПОРОШКОВОЙ КОМПОЗИЦИИ AlN–TiC МЕТОДОМ АЗИДНОГО СВС ИЗ ШИХТЫ «Al–Ti–NaN3–C2F4» Издательство ТГУ, 2023, Физическое материаловедение: XI Международная школа, Тольятти, 11–15 сентября 2023 года: сборник материалов/отв. ред. Д.Л. Мерсон. – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2023. – 231 с.: обл. (год публикации - 2023)
2. Белова Г.С., Уварова И.А., Титова Ю.В. САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ ПОРОШКОВОЙ НИТРИДНО-КАРБИДНОЙ КОМПОЗИЦИИ ALN-TIC С ПРИМЕНЕНИЕМ АЗИДА НАТРИЯ И ГАЛОИДНОЙ СОЛИ ALF3 Самарский университет, Том 1. − Самара: Издательство Самарского университета, 2023. – 548 с. (год публикации - 2023)
3. Белова Г.С., Титова Ю.В., Майдан Д.А., Якубова А.Ф. САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ ПОРОШКОВОЙ КОМПОЗИЦИИ ALN-TIC С ПРИМЕНЕНИЕМ АЗИДА НАТРИЯ И ФТОРОПЛАСТА C2F4 Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Применен in-situ процесс получения композиционной керамики Si3N4-TiC путем проведения химического синтеза нитридных и карбидных наночастиц в объеме композита, так как известно, что полученные заранее очень мелкие частицы различных фаз не могут быть равномерно распределены в объеме композита путем механического смешивания порошков (ex-situ процесс). Представлены результаты развития технологии получения композиции Si3N4-TiC методом азидного СВС при сжигании смесей порошков Ti, C, азида натрия NaN3 и активирующей и карбидизирующей добавки политетрафторэтилена (C2F4)n. Результаты термодинамических расчетов этих реакций показали, что адиабатические температуры достаточно высоки для реализации самоподдерживающегося режима горения. Представлены экспериментальные исследования микроструктуры и фазового состава продуктов горения. Синтезированные композиции состоят из высокодисперсных частиц равноосной формы, представляющих собой смесь наноразмерных (менее 100 нм) и субмикронных (от 100 до 500 нм) частиц карбида и нитрида титана и волокон нитрида кремния диаметром от 50-200 нм и длиной до 5 мкм. Применение ПТФЭ с частичной заменой углерода в составе смесей в азидном СВС позволило устранить в большинстве случаев недостатки традиционного подхода для различных соотношений целевых фаз Si3N4 и TiC и синтезировать высокодисперсные порошковые композиции Si3N4-TiC с фазовым составом, значительно более близким к рассчитанному теоретическому составу. Таким образом, рассмотренное применение метода азидного СВС позволило получить высокодисперсные композиции керамических порошков Si3N4-TiC и Si3N4-TiN-TiC.
Публикации
1.
Титова Ю.В., Якубова А.Ф., Белова Г.С.
Self-propagating high-temperature synthesis of highly dispersed Si3N4–TiC composition using sodium azide and various carbon sources
Powder Metallurgy аnd Functional Coatings, Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2024; 18(6): 44–55.
https://doi.org/10.17073/1997-308X-2024-6-44-55/ (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.17073/1997-308X-2024-6-44-55
2.
Титова Ю.В., Белова Г.С., Якубова А.Ф.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез композиции Si3N4-TiC с использованием азида натрия
Proceedings of 9 th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE–2024), Proceedings of 9 th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE–2024) | Tomsk, Russia, 2024. - С. 1481-1488. - doi: 10.56761/EFRE2024.N2-O-031102.
(год публикации - 2024)
doi: 10.56761/EFRE2024.N2-O-031102
3.
Титова Ю.В., Уварова И.А., Амосов А.П., Белова Г.С., Майдан Д.А.
Получение порошковой композиции Si3N4-SiC по азидной технологии СВС с применением политетрафторэтилена
Proceedings of 9 th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE–2024), Proceedings of 9 th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE–2024) | Tomsk, Russia, 2024. С. 1489-1494. - doi: 10.56761/EFRE2024.N2-O-031103.
(год публикации - 2024)
doi: 10.56761/EFRE2024.N2-O-031103
4. Амосов А.П., Уварова И.А., Титова Ю.В. Combustion synthesis of highly dispersed powder composition AlN-SiC using sodium azide and polytetrafluoroethylene Proceeding of the conference/ Edited by V.N. Azyazov and A.M. Mayorova/ Lebedev Physical Institute, Samara Branch – Samara: Publishing OOO “Insoma- Press”, International Conference on Physics and Chemistry of Combustion and Processes in Extreme Environments (Samara, Russia, 2-6 July 2024): Proceeding of the conference/ Edited by V.N. Azyazov and A.M. Mayorova/ Lebedev Physical Institute, Samara Branch – Samara: Publishing OOO “Insoma- Press”, 2024 – 40 p. (год публикации - 2024)
5. Амосов А.П., Титова Ю.В., Белова Г.С., Уварова И.А., Якубова А.Ф. Azide SHS of compositions of highly dispersed nitride powders with carbides International Symposium on SHS 2024 Book of Abstracts, XVI International Symposium on SHS 2024 Book of Abstracts. - P. 26. (год публикации - 2024)
6.
Амосов А.П., Титова Ю.В., Уварова И.А., Белова Г.С.
Azide self-propagating high-temperature synthesis of a highly dispersed AlN–SiC powder composition using polytetrafluoroethylene
Powder Metallurgy аnd Functional Coatings, Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2024; 18(6): 28–43. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2024-6-28-43 (год публикации - 2024)
doi.org/10.17073/1997-308X-2024-6-28-43
7. Титова Ю.В., Белова Г.С., Якубова А.Ф. Application of combustion of Ti-Si-NaN3-Na2SiF6-C powder mixture for the synthesis of highly dispersed Si3N4-TiC ceramic composition Proceeding of the conference/ Edited by V.N. Azyazov and A.M. Mayorova/ Lebedev Physical Institute, Samara Branch – Samara: Publishing OOO “Insoma-Press”, International Conference on Physics and Chemistry of Combustion and Processes in Extreme Environments (Samara, Russia, 2-6 July 2024): Proceeding of the conference/ Edited by V.N. Azyazov and A.M. Mayorova/ Lebedev Physical Institute, Samara Branch – Samara: Publishing OOO “Insoma-Press”, 2024. - P. 60. (год публикации - 2024)
8. Титова Ю.В., Белова Г.С., Якубова А.Ф. Применение горения порошковой смеси Ti-Si-NaN3-Na2SiF6-C для синтеза высокодисперсной керамической композиции Si3N4-TiC Bulletin of the Lebedev Physics Institute, Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2025 (год публикации - 2025)
9. Титова Ю.В., Якубова А.Ф., Амосов А.П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез композиции Si3N4–TiC при горении прессованных образцов Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Russian Journal of Non-Ferrous Metals (год публикации - 2025)
10. Якубова А.Ф., Титова Ю.В., Белова Г.С. Исследование возможности получения композиции AlN-TiC методом СВС-Аз при различных условиях синтеза Молодежная школа-конференция "Наноструктуры. Свойства и применение". – СПб: Университет ИТМО, Научная программа и тезисы Молодежной школы-конференции "Наноструктуры. Свойства и применение". Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, 2024. – С. 96. (год публикации - 2024)
11. Титова Ю.В., Белова Г.С., Якубова А.Ф. Self-propagating high-temperature synthesis of Si3N4-TiC composition using sodium azide International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024): Abstracts. — Tomsk : Academizdat Publishing, 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024): Abstracts. — Tomsk : Academizdat Publishing, 2024. — Р. 583 (год публикации - 2024)
12. Титова Ю.В., Белова Г.С., Якубова А.Ф. Self-propagating high-temperature synthesis of Si3N4-TiC composition using sodium azide Известия Российской академии наук / Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics,, Известия Российской академии наук / Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2024. - Том 88, номер 11. (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
Новый простой ресурсосберегающий одностадийный in-situ метод азидного СВС перспективных высокодисперсных керамических нитридно-карбидных композиций AlN-TiC и Si3N4-TiC перспективных для использования при спекании соответствующих композиционных керамических материалов с повышенными свойствами, меньшей хрупкостью, хорошей обрабатываемостью, меньшими температурами спекания по сравнению с однофазными керамическими материалами из нитридов или карбидов, а также для использования в других приложениях.