СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДА БОРА Российский патент 2004 года по МПК C01B21/64 

Изобретение относится к металлургии тугоплавких соединений, в частности к получению нитрида бора.

Известно, что нитрид бора широко используется в качестве высокотемпературной смазки, покрытия и в качестве разделяющей среды в разнообразных процессах с керамикой, металлами и стеклом; применяется также в качестве компонента для керамики, наполнителя для пластмасс, металлов, композитов (14^th International Symposiumon Boron, Borides. ISBB’02, St.Peterburg, 09-14.06.2002. Abstracts).

Нитрид бора получают путем взаимодействия в газовой фазе, методами детонационного взрыва, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, в плазматроне (Materials Science of Carbides, Nitrides and Borides. NATO Science Series. 3 High Technology. London. 1999. Vol.68).

Известен способ получения нитрида бора, принятый за прототип (Г.В.Самсонов. Бор, его соединения и сплавы. Киев: АН СССР, 1960). Согласно прототипу предлагаемого изобретения нитрид бора получают следующим образом: оксидные соединения бора восстанавливают сажистым углеродом с последующей выдержкой в атмосфере азота.

Недостатком способа является то обстоятельство, что при осуществлении этого метода синтезируется нитрид бора, содержащий повышенное количество примесей: оксиды, карбиды и др. Содержание нитрида бора составляет менее 98%.

Задача предлагаемого изобретения заключается в получении нитрида бора повышенного качества, что позволит улучшить его технические характеристики.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения нитрида бора, включающего металлотермическое восстановление хлоридов, согласно изобретению трихлорид бора восстанавливают натрием в атмосфере азота при соотношении трихлорида бора и натрия от 1:0,4 до 1:0,66, затем проводят вакуумную сепарацию и полученный конденсат направляют на последующее восстановление.

При восстановлении трихлорида бора металлическим натрием в атмосфере молекулярного азота образуется нитрид бора переменного состава (BN_x, где x<1). В период нагрева натрия и во время процесса в атмосфере азота последний растворяется в натрии с образованием нитрида натрия (Na₃N), который на последующих стадиях процесса диспропорционирует с образованием атомарного азота. Вследствие высокой активности атомарный азот вступает во взаимодействие как с образующимся бором, так и с нестехиометрическим нитридом бора (BN_x), в конечном итоге синтезируется нитрид бора стехиометрического состава - BN.

Следует отметить, что при соотношении ВСl₃:Nа от 1:0,4 до 1:0,66 (при избытке натрия) обеспечивается синтез нитрида бора повышенного качества. Наличие избыточного натрия способствует образованию нитрида натрия, и, следовательно, интенсифицируется получение нитрида бора стехиометрического состава за счет выделения атомарного азота. Использование для последующего восстановления хлорида бора оборотного конденсата, содержащего хлорид натрия и избыточный натрий, позволяет утилизировать последний, улучшить качество нитрида и интенсифицировать синтез.

Предложенный способ осуществляется следующим образом: трихлорид бора восстанавливают натрием в атмосфере азота, вследствие этого образуется нитрид бора, а также хлорид натрия. Полученную реакционную массу направляют на вакуумную сепарацию. Нитрид бора является товарным продуктом, а конденсат, состоящий из избыточного металлического натрия и его хлорида, используют при последующем восстановлении.

Выбор параметров процесса обусловлен следующим: при отношении трихлорида бора и натрия менее 1:0,4, когда натрий используется при очень высоком избыточном количестве, осуществление технологического процесса будет сложным. С другой стороны, в случае отношения трихлорида бора и натрия более 1:0,66 вероятность образования нитрида натрия будет низка. Это связано с тем, что недостаточное количество натрия не будет обеспечивать образования нитрида натрия и атомарного азота для участия в синтезе нитрида бора, и, следовательно, будет получен нестехиометрический продукт (BN_x) низкого качества.

Пример. Лабораторная установка состояла из шахтной электропечи, герметичного реактора с крышкой, конденсатора и тигля из нитрида бора. На крышке были смонтированы мерная емкость для трихлорида бора и дозатор. Исходный натрий загружали в тигель и в атмосфере азота разогревали до 600°С, после чего осуществляли медленную подачу трихлорида бора. Процесс синтеза нитрида бора протекал при температуре 800-850°С по реакции:

ВСl₃+3Na+0,5N₂ → BN+3NaCl

По окончании подачи хлоридов производили удаление избыточного натрия и образовавшегося хлорида его в оборотную реторту. Полученный конденсат повторно использовали для последующего процесса восстановления, после охлаждения до комнатной температуры оборотную реторту с натрием устанавливали в аппарат восстановления под защитой азота.

Полученный нитрид бора анализировали на содержание основных примесей и нитрида бора. Результаты приведены в таблице.

Достигнутые результаты позволяют сделать заключение о техническом эффекте изобретения: при восстановлении трихлорида бора в атмосфере азота избыточным количеством натрия получается нитрид повышенного качества, снижается содержание примесей, повышается содержание основы - BN до 99,6%. Процесс получения нитрида бора осуществляют в высокопроизводительном аппарате, аналогичном применяемым в металлотермии титана. В конечном итоге синтезируется нитрид бора на 10-15% дешевле.

Изобретение предназначено для химической и керамической промышленности и может быть использовано при получении высокотемпературных смазок, покрытий, разделяющих сред, керамики, пластмасс, композитов. Металлический натрий загружают в тигель и помещают в печь. Разогревают в атмосфере азота до 600°С, медленно подают трихлорид бора. Соотношение трихлорида бора и натрия 1:(0,40-0,66). Проводят металлотермическое восстановление трихлорида бора при 800-850°С. По окончании процесса проводят вакуумную сепарацию. Полученный конденсат, содержащий натрий, повторно используют в процессе восстановления. Содержание нитрида бора в продукте восстановления - не менее 99,4%, количество примесей снижено. Изобретение позволяет получать чистый нитрид бора с высокой производительностью. Способ прост и экономичен. 1 табл.

Способ получения нитрида бора, включающий металлотермическое восстановление галогенидов бора, отличающийся тем, что трихлорид бора восстанавливают натрием в атмосфере азота при соотношении трихлорида бора и натрия от 1:0,40 до 1:0,66, затем проводят вакуумную сепарацию и полученный конденсат направляют на последующее восстановление.