Способ получения тонкодисперсных многокомпонентных порошков на основе нитрида алюминия и соединений редкоземельных элементов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕ СКИХ 75201 А 1 ЕСГ 1 УБЛИК 9)(51)5 С 01 В 21/06 Е ИЗОБРЕТЕНИЯ ПИ за счет повышения и Чистоты.к низкотемпературокочастотного раэлюминия и оксида составляет 0,9 кг/ч. ксида иттрия в поременно в зону по- среднемассовую Г ОСУДЛРСТ В Е Н 1 ГЫ И КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОУУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро неорганических материаловИнститута неорганической химии АНЛатвССР, Институт неорганической химииАН ЛатвССР и Институт сверхтвердых материалов АН УССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1215291, кл. С 01 В 21/06, 1983,(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПОРОШКОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДААЛЮМИНИЯ И СОЕДИНЕНИЙ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ(57) Изобретение относится к способу получения тонкодисперсных многокомпонентных порошков на основе нитрида алюминияи соединений редкоземельных элементов ипозволяет повысить теплопроеодность керамики, изготовленной иэ целевых продукИзобретение относится к способам получения тонкодисперсных многокомпонентных порошков на основе нитрида алюминияи соединений редкоземельных элементов,которые могут быть использованы для изготовления керамики с высокой теплопроводностью,Цель изобрететеплопроводности ния состоит в повышении изготовленнои из целе тов за счет повышения их фазовой и химической чистоты, В поток низкотемпературной азотной плазмы со среднемассовой температурой 5400 - 5800 К подают смесь порошков металлического алюминия и оксида иттрия, а также бескислородные соединения элементов или их смесь, сродство которых к кислороду выше, чем у алюминия, при этом молярное соотношение кислорода и этих элементов выбирают равным 0,3 - 1,2:1, В качестве бескислородных соединений используют газообразные углеводороды в смеси с аммиаком при их массовом соотношении 0,05 - 0,1;1 или соль кальция, выбранную из группы: хлорид, фторид, карбид или цианамид. Далее в зону потока вводят аммиак, двухфазный поток охлаждают в теплообменнике, а тонкодисперсный порошок целевого продукта улавливают на поверхности рукавного фильтра, Полученный порошок представляет собой однородную смесь нитрида алюминия, оксида и нитрида иттрия с содержанием свободного кислорода 1,1 - 1,8 мас Теплопроводность изготовленной иэ него керамики составила 125 170 Вт/м К. 2 э,п. ф-лы, 3 табл. вого продукта керамики его фазовой и химическоП р и м е р 1. В пото ной азотной плазмы выс ряда подают порошки а иттрия, расход которых Массовое содержание о рошке 3,2 мас,0, Однов тока, имеющеготемпературу 5400 К, дополнительно подают смесь пропана и аммиака, соотношение массовых расходов которых 0,06, а молярное соотношение кислорода в порошке и углерода 0,3, В зону потока, имеющего температуру 2800 К, подают аммиак. Двухфазный поток охлаждают в теплообменнике, а тонкодисперсный порошок целевого продукта улавливают на поверхности рукавного фильтра. Полученный тонкодисперсный порошок с удельной поверхностью 32 м /г2 представляет собой однородную смесь нитрида аммония, оксида и нитрида иттрия,Состав полученного порошка, мас.ь. АМ 96,1; У 20 з 1,2; Уй 0,9; О 1,7; С 0,2, Теплопроводность изготовленных из него образцов 160 Вт/м К,П р и м е р 2. В поток низкотемпературной азотной плазмы высокочастотного разряда подают порошки алюминия и оксида иттрия, расход которых составляет 1,2 кг/ч. Массовое содержание оксида иттрия в порошке 2,6 мас Одновременно в зону потока, имеющего среднемассовую температуру 5800 К, дополнительно подают порошок фторида кальция, при этом молярное соотношение кислорода и кальция 1,2. В зону потока, имеющего температуру 3200 К, подают аммиак, Двухфазный поток охлаждают в теплообменнике, а тонкодисперсный порошок целевого продукта улавливают на поверхности рукавного фильтра, Полученный тонкодисперсный порошок с удельной поверхностью 30 м /г представляет собой однородную смесь нитрида алюминия, нитрида и оксида иттрия, рентгеноаморфного оксида кальция.Состав полученного порошка, мас.,6; А М 96,2: У 20 з 0,5; Уй 1,2; СаО 1,7; СаГ 2 0,2 (следы); О 1 Я, Теплопроводность изготовленных иэ него образцов 155 - 170 Вт/м К.П р и м е р 3, В поток низкотемпературной азотной плазмы высокочастотного разряда подают порошки алюминия и оксида иттрия, расход которых составляет 1,2 кг/ч. Чассовое содержание оксида иттрия в порошке 2,4 мас.о . Одновременно в зону потока, имеющего среднемассовую температуру 5600 К, дополнительно подают смесь пропана и аммиака и хлорида кальция, Соотношение массовых расходов пропана и аммиака 0,1, а молярное соотношение кислорода и углерода и кальция 0,8. В зону потока, имеющего температуру 3000 К, подают аммиак, Двухфазный поток охлаждают в теплообменнике, а тонкодисперсный порошок целевого продукта улавливают на поверхности рукавного фильтра. Полученный тонкодисперсный порошок с удельной поверхностью 34 м /г представляет собой од 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 нородную смесь нитрида алюминия, нитри да иттрия, цианамида кальция и оксида кальция,Взаимодействие алюминия и оксидов редкоземельных элементов с потоком низкотемпературной азотной плазмы осуществляют в присутствии бескислородных соединений элементов, сродство которых к кислороду выше чем у алюминия, или их смеси, в результате чего в потоке до образования нитрида алюминия, оксинитрида или оксида алюминия происходит частичное восстановление оксидов редкоземельных элементов и связывание кислорода с дополнительно введенными элементами, что предотвращает образование кислородсодержащих соединений алюминия,Далее, по мере снижения температуры потока, в присутствии аммиака образуется чистый нитрид алюминия, который не содержит примеси кислородсодержащих соединений алюминия. Среднемассовая температура потока 5400 - 5800 К, при которой вводятся в поток бескислородные соединения, сродство которых к кислороду выше, чем у алюминия, установлены при изучении зависимости фазового и химических составов целевого продукта от температуры потока в зоне ввода (табл,1),Подача бескислородных соединений - газообразных углеводородов в зону потока, имеющего среднемассовую температуру выше 5800 К, приводит к появлению в продуктах взаимодействия карбида алюминия. Если в спеченной керамике сохраняется карбид алюминия, то из-за сильного гидролиээ карбида при хранении на воздухе керамическое изделие полностью разрушается через несколько часов, Подача соединений кальция в зону потока, имеющего средне- массовую температуру выше 5800 К, нецелесообразна, так как увеличиваются потери мощности плазменного факела в узлах установки. Подача бескислородных соединений в зону потока, имеющего среднемассовую температуру ниже 5400 К, малоэффективна, так как в потоке не происходит полное связывание кислорода введенными элементами, и кислород частично образует кислородсодержащие соединения алюминия, Кроме того, при использовании газообразных углеводородов в продукте реакции появляется свободный несвязанный углерод, наличие которого снижает диэлектрические характеристики материалов из нитрида алюминия,Малярное соотношение кислорода и элементов, сродство которых к кислороду выше, чем у алюминия,установлено при изучении зави симости фазового и химического составов целе5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вых продуктов от молярного соотношения кислорода и этих элементов (табл,2), Осуществление процесса при молярных соотношениях менее 0,3 нецелесообразно, так как это не приводит к дальнейшему снижению содержания кислорода, а увеличивает концентрацию восстановителей и их соединений в продукте реакции, что снижает механические и физические характеристики керамики. При молярном соотношении более 1,2 не осуществляется полная очистка алюминия и нитрида алюминия от кислорода из-за низкой концентрации восстановителя в потоке, Выбор элементов или их соединений, сродство которых к кислороду выше, чем у алюминия, основан на том, что присутствие их в нитриде алюмин 1 я не должно влиять на теплопроводность керамики, они должны связывать адсорбированный на поверхности частиц нитрида алюминия кислород при спекании и способствовать спеканию порошков. Экспериментально проверено, что этим требованиям соответствует применение в качестве восстановителей газообразных углеводородов, бескислородных соединений кальция или их смеси, Применение этих элементов или их соединений не только предотвращает образование кислородных соединений алюминия в высокотемпературном потоке азота, но также приводит к образованию ряда соединений редкоземельных элементов с азотом и углеродом (нитрида иттрия, карбида иттрия, цианамида кальция), соединений углерода с азотом и водородом, наличие которых на поверхности частиц нитрида алюминия увеличивает устойчивость нитрида алюминия на воздухе и способствует его очистке от адсорбированного кислорода во время его спекания,Подача газообразных углеводородов в смеси с аммиаком при соотношении их массовых расходов 0,04 - 0,1 способствует образованию в высокотемпературном потоке цианистых соединений, наличие которых предотвращает образование кислородных и карбидных соединений алюминия, Оптимальные соотношения массовых расходов углеводородов и аммиака определены при исследовании зависимости фазового и химического составов целевого продукта от соотношения массовых расходов (табл.3), Осуществление процесса при соотношении массовых расходов углеводородов и аммиака менее 0,06 не улучшает характеристик порошков, но приводит к охлаждению высокотемпературного потока из-за высокого расхода аммиака, что снижает производительность способа. Соотношения массовых расходов углеводородов и аммиака более 0,1 не предотвращает полностью образование карбида алюминия и приводит к увеличению свободного углерода в целевых продуктах.Таким образом, применение способа позволяет по сравнению с прототипом повысить теплопроводность керамики, изготовленной из целевых продуктов. в 2,3 - 2,5 раза (с 60 - 70 до 125 - 170 Вт/м К) эа счет снижения примеси свободного кислорода с 2,3 - 2,6 до 1,1 - 1,8 мас., а также за счет исключения загрязнения целевого продукта примесной фазой оксинитрида алюминия,Формула изобретения1. Способ получения тонкодисперсных многокомпонентных порошков на основе нитрида алюминия и соединений редкоземельных элементов, включающий введение смеси порошков металлического алюминия и оксидов редкоземельных элементов в поток ниэкотемпературной азотной плазмы и конденсацию целевого продукта в присутствии аммиака, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения теплопроводности изготовленной из целевого продукта керамики за счет повышения его фазовой и химической чистоты, используют плазму со среднемассовой температурой 5400 - 5800 К и в зону потока плазмы дополнительно вводят бескислородные соединения элементов, сродство которых к кислороду выше, чем у алюминия, или их смесь, при этом молярное соотношение кислорода к этим элементам выбирают равным 0,3 - 1,2:1,2, Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве бескислородных соединений элементов используют газообразные углеводороды в смеси с аммиаком при соотношении массовых расходов углеводородов и аммиака. равном 0,06 - 0,1:1.3. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве бескислородных соединений используют соединения кальция: хлориды, фториды.1675201 Таблица 1 Таблица 2 Таблиц Составитель В Нечипоренкоовецкая Техред М,Моргентал Корректор С. Шев едак аказ 2970 Тираж л Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва,Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент ород, ул.Гагарина, 101