Способ получения порошка сиалона

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА СИАЛОНА, включающий приготовление экзотермической смеси, содержащей 30 - 70 мас.% горючей составляющей - порошков кремния и/или алюминия - и 30 - 70 мас.% негорючей составляющей, локальное воспламенение при давлении азотсодержащего газа 4 - 500 МПа и термообработку в режиме послойного горения при 1850 - 2500^oС, отличающийся тем, что, с целью получения порошка - сиалона однородного фазового состава, в качестве негорючей составляющей в смесь вводят по меньшей мере одно вещество из ряда: нитрид, оксид, гидрооксид, силикат модифицирующего элемента из группы: Na, Li, Mg, Ca оксид Y или Nd, - сиалон, причем соотношение компонентов смеси обеспечивает в результате термообработки элементный состав сиалона, соответствующий формуле Me_x (Si; Al)₁₂ (O; N)₁₆, где Me - модифицирующий элемент из указанной группы, а x 2.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в состав негорючей составляющей дополнительно вводят по крайней мере одно из веществ ряда: нитрид кремния, нитрид алюминия, оксинитрид кремния, оксинитрид алюминия, сиалоновое соединение, оксид кремния, оксид алюминия, силикат алюминия.

Настоящее изобретение относится к способам получения неорганических соединений, в частности '-сиалона. Порошок из '-сиалона может использоваться в качестве сырья для получения высокотемпературной конструкционной керамики, керамического режущего инструмента, а также в производстве огнеупоров, стойких к расплавам металлов.
'-Сиалон представляет собой твердый раствор с кристаллической структурой '-модификации нитрида кремния, в котором имеет место замещение катиона Si⁺⁴ на катион Al⁺³ с одновременным внедрением для компенсации валентности добавочного катиона Me^+a модифицирующего элемента (где Me - Li, Na, Ca, Mg, Y; редкоземельные элементы за исключением La, Ce). Возможна также частичная компенсация валентности, как в случае образования '-сиалона за счет замещения в кристаллической решетке атома азота на атом кислорода.
Элементный состав '-сиалона принято выражать формулой Me_x(Si;Al)₁₂(O; N)₁₆, где х 2, или Me_xSi_12-(m+n)Al_m+nO_nN_16-n, где x 2. Значения коэффициентов m и n в химической формуле '-сиалонов определяются соблюдением общего соответствия валентностей катионов и анионов в кристаллической решетке с ячейкой Si₁₂N₁₆. Так как компенсация внедрения катиона Me^a+ достигается заменой катионов Si⁴⁺ на катион Al³⁺, то значение m равно коэффициенту x при модифицирующем элементе, умноженному на степень его валентности a, т. е. m = ax. Следовательно, значение m однозначно определяется из значения x и вида модифицирующего элемента. Аналогично, внедрение аниона О^2- вместо N^3- компенсируется одновременной заменой катиона Si⁴⁺ на Al³⁺, и значение n однозначно определяется из содержания кислорода в исходной смеси.
Поскольку области существования однофазных '-сиалонов на фазовых диаграммах не подлежат простому математическому описанию и различны для каждого вида модифицирующего элемента Me, то в литературе, как правило, используют формулу Me_x(Si;Al)₁₂(O;N)₁₆, где 0<x 2, подразумевая некую определенную область существования однофазных '-сиалонов. Области существования однофазных '-сиалонов, полученных различными методами, в том числе в режиме послойного горения, совпадают.
Целью изобретения является получение '-сиалона однородного фазового состава.
В качестве горючей составляющей шихты берут взятые порознь или в смеси порошки кремния и алюминия.
В качестве негорючей составляющей шихты берут по крайней мере одно из веществ из ряда: нитрид, оксид, силикат, гидрооксид, модифицирующих элементов - Li; Na, Mg, Ca, оксид Y или Nd, '-сиалон, а также возможно включение в состав негорючей составляющей по крайней мере одного из соединений: нитрид кремния, нитрид алюминия, оксинитрид кремния, оксинитрид алюминия, сиалоновые соединения ( ', X, O'-фазы, политипоиды нитрида алюминия), оксид кремния, оксид алюминия, силикат алюминия (муллит, каолинит, силиканит и др.).
Азотирующая среда представляет собой азот в жидком или газообразном состоянии, смесь азота по крайней мере с одной из добавок из ряда: воздух, водород, инертный газ (аргон, гелий и др.), взятых в количестве 0,1-50 об. %.
Введение в состав 30-70 мас. % негорючей составляющей позволяет сделать экзотермическую смесь, способную после инициирования гореть с одновременным азотированием горючих компонентов в режиме послойного горения, достигать высокой однородности фазового и элементного состава во всем объеме конечного продукта. Все компоненты в смеси берут так, чтобы в результате азотирования элементный состав целевого продукта удовлетворял формуле Me_xSi_12-(m+n)Al_m+nO_nN_16-n, где x 2.
Расчет элементарного состава проводят с учетом того, что атомы азота поступают из соответствующих нитридных и оксинитридных соединений исходной смеси, а также азота, добавленного в результате азотирования порошков кремния и алюминия, атомы кислорода поступают из оксидных и оксинитридных соединений, атомы кремния и алюминия модифицирующего элемента - из соответствующих металлических порошков и компонентов негорючей составляющей.
Проведение процесса азотирования под давлением газа 4-500 МПа необходимо для достижения высоких температур термообработки 1850-2500^оС, развиваемых в результате горения экзотермической смеси в азотирующей среде, которые обеспечивают высокие скорости фазообразования '-сиалона. Повышенное давление газа, а также небольшая длительность процесса горения (несколько десятков секунд) сделают незначительными потери, связанные с испарением возможных летучих соединений (моноокиси кремния SiO, парообразного кремния и др. ), что позволяет добиваться высокой степени однородности фазового и элементного состава конечного продукта.
Для осуществления способа предпочтительно использовать алюминий дисперсностью менее 100 мкм, кремний и соединения негорючей составляющей менее 25 мкм. Способ допускает использование веществ как в аморфном, так и в кристаллическом состоянии и не накладывает ограничений на кристаллическую модификацию компонентов смеси.
Азотирующий газ готовят предварительным смешением азота с добавками в газообразном состоянии, азот берут технический как в жидком, так и в газообразном состоянии, воздух, водород, инертные газы берут в состоянии поставки.
Для смешения компонентов можно использовать любой из общепринятых способов приготовления композиций керамических порошков, например сухое смешение в шаровой мельнице. Полученную смесь помещают в реактор, который заполняют азотирующим газом до давления 4-500 МПа. В случае использования жидкого азота в реактор помещают смесь, находящуюся в стакане с жидким азотом. Затем проводят реакцию азотирования в режиме направленного послойного горения и после локального воспламенения экзотермической смеси с помощью вольфрамовой спирали, на которую подают кратковременный импульс электрического тока напряжением 20-50 В и силой тока 30-70 А. Раскаленная спираль, соприкасаясь с экзотермической смесью, инициирует реакцию горения в тонком слое смеси. За счет тепла, выделившегося в результате экзотермической реакции смеси с азотом, прогревается и воспламеняется следующий слой. Так формируется фронт горения, который распространяется по смеси.
После окончания синтеза давление в реакторе сбрасывается до атмосферного и извлекают спек порошка из '-сиалона, который затем размалывается до порошка с микронными размерами зерен.
П р и м е р. В шаровую мельницу загружают смесь порошков, содержащую 23,6 мас. % порошка кремния, 13,7 мас. % порошка алюминия, 12,7 мас. % порошка оксида иттрия и 50 мас. % нитрида кремния -модификации, перемешивают в течение 60 мин. Затем полученную смесь засыпают в графитовый стакан. Далее смесь в графитовом стакане помещают в реактор и заполняют азотом до давления 50 МПа, после чего инициируют горение смеси подачей электрического тока на спираль, которая находится в контакте с исходной смесью. Температура горения смеси, определяющая температуру термообработки, равна 2200^оС. После окончания реакции давление в реакторе сбрасывается и извлекается конечный продукт, который представляет собой спек с относительной плотностью примерно 0,4-0,5. Элементный состав полученного продукта выражается формулой Y_0,55Si_9,5Al_2,5O_0,83N_15,17.
Рентгенофазовый анализ показал наличие только однородной фазы '-сиалона.
Полученный после размола спека порошок '-сиалона может быть использован в качестве исходного материала для изготовления конструкционной керамики, огнеупорных изделий, а также изготовления керамического режущего инструмента.
Другие примеры способа получения порошка '-сиалона представлены в таблице.
Использование: изобретение относится к способу получения неорганических соединений, в частности - сиалона. Порошок - сиалона используется для получения высокотемпературной конструкционной керамики, режущего инструмента и огнеупоров. Сущность изобретения: способ включает приготовление экзотермической смеси, содержащей 30 - 70% горючей составляющей порошка кремния и/или алюминия и 30 - 70% негорючей составляющей, в качестве которой используют по меньшей мере одно вещество из ряда: нитрид, оксид, гидрооксид, силикат модифицирующего элемента из группы: Na, Li, Mg, Ca, оксид Y или Nd, - сиалон, локальное воспламенение и термообработку в режиме горения при температуре 1860 - 2500°С и давлении 4 - 500 МПа. Состав полученного соединения соответствует области существования однофазных - сиалонов. 1 табл.