СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДОВ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2009 года по МПК C01B21/76 

Изобретение относится к области порошковой технологии, а именно к получению материалов, содержащих нитриды металлов, и может найти применение при изготовлении керамических и композиционных материалов и дисперсно-упрочненных изделий.

Известен способ [Патент РФ №2083487, МПК С01В 21/06, опубл. 10.07.1997] получения нитридов металлов, включающий подачу в реактор порошка металла и азота под давлением 0,1-5,0 МПа с последующим воспламенением.

Недостатком этого способа является использование специального оборудования, что усложняет технологию. Кроме того, в данном способе используется чистый азот под высоким давлением, что удорожает получаемый продукт.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения нитридов металлов [Патент РФ №2256604, МПК С01В 21/076, опубл. 27.11.2004], который был выбран за прототип. Согласно этому способу приготавливают смесь из оксида азотируемого металла, азида щелочного металла и азотируемого металла как энергетической составляющей. Затем смесь воспламеняют в среде азота под давлением.

Недостатком этого способа является использование высокого давления в процессе синтеза и наличие в продуктах синтеза щелочи, которая может привести к их деградации. Кроме того, в этом способе используется дорогостоящий и опасный при хранении реагент - азид натрия.

Основной технической задачей изобретения является упрощение технологии за счет использования воздуха в качестве азотирующего агента, а в качестве энергетической добавки - нанопорошка алюминия.

Основная техническая задача достигается тем, что в заявляемом способе получения нитридов металлов, согласно которому, так же, как и в прототипе, приготовляют экзотермическую смесь, состоящую из оксида азотируемого металла и энергетической составляющей и воспламеняют ее в присутствии азотирующего агента, в соответствии с предложенным решением, в качестве азотирующего агента используют воздух при атмосферном давлении, а в качестве энергетической составляющей используют нанопорошок алюминия при следующем соотношении компонентов, мольн.%:

энергетическая составляющая 60-80 оксид азотируемого металла остальное

В результате использования воздуха при атмосферном давлении в качестве азотирующего агента происходит упрощение технологии, так как нет необходимости в применении в качестве реагентов чистого азота и дорогостоящего и опасного при хранении азида натрия и высокого давления для проведения процесса синтеза. Кроме того, упрощение технологии происходит за счет использования нанопорошка алюминия в качестве энергетической добавки, так как нанопорошок алюминия в отличие от порошков титана и циркония не склонен к пирофорности, устойчив на воздухе до 400-450°С, но при инициировании хорошо горит на воздухе, что делает возможным проведение синтеза без использования сложного оборудования (реактора).

Перечень иллюстративного материала

В таблице 1 приведены составы исходных смесей оксида титана и нанопорошка алюминия и содержание в полученных продуктах нитрида титана по отношению к остаточному оксиду титана.

В таблице 2 приведены составы исходных смесей оксида циркония и нанопорошка алюминия и содержание в полученных продуктах нитрида циркония по отношению к остаточному оксиду циркония.

Пример конкретного выполнения

Для эксперимента в качестве исходных компонентов использовали порошок оксида азотируемого металла - TiO₂ (промышленный порошок марки хч), ZrO₂ (промышленный порошок марки осч) и нанопорошок алюминия (получен с помощью электрического взрыва алюминиевых проводников на опытно-промышленной установке УДП-4Г, напряжение на взрываемом проводнике - 24 кВ, энергия, вводимая в проводник, - 1,45 энергии сублимации взрываемого проводника, среда - аргон, форма частиц - сферическая, содержание металлического алюминия - 92 мас.%, площадь удельной поверхности - 12 м²/г).

Из порошков готовили смеси массой 4 г при следующем соотношении компонентов, мольн.%:

энергетическая составляющая, 40; 56; 60; 70; 76; 80; 86; 90; оксид азотируемого металла остальное

Образцы смесей приготавливали методом сухого смешения с применением малых нагрузок, смешение осуществляли в течение 15 минут. Подготовленные образцы высыпали на подложку из нержавеющей стали (толщина листа - 3 мм, марка стали 18Х12Н10Т), придавая насыпанному материалу коническую форму для улучшенной фильтрации воздуха в зону реакции. Образцы воспламеняли в воздухе: процесс горения инициировали пропусканием импульса электрического тока (6 А) через нихромовую спираль (диаметр проволоки - 0,3 мм), находящуюся в контакте с исходной смесью. В результате сгорания образовывались спеки, которые измельчали с помощью шаровой мельницы (помол в течение 0,5 часа) и подвергали рентгенофазовому анализу (метод порошка, дифрактометр ДРОН-3М, Cu_Ка-излучение).

В таблицах 1 и 2 представлены составы исходных смесей и содержание нитрида металла. При содержании в исходной смеси энергетической составляющей менее 60 мольн.% выход нитрида азотируемого металла низок вследствие невысокой температуры горения смесей, которая недостаточна для химического связывания азота воздуха [1]. При содержании в исходной смеси нанопорошка алюминия более 80 мольн.% прирост содержания нитридов азотируемых металлов замедляется, поэтому дальнейшее повышение содержания нанопорошка алюминия в исходной смеси нецелесообразно из-за удорожания получаемого продукта. Наиболее оптимальный состав смесей содержит от 60 до 80 мольн.% нанопорошка алюминия.

Литература

1. Ильин А.П., Громов А.А. Горение алюминия и бора в сверхтонком состоянии. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003, 155 с.

Таблица 1 Содержание энергетической составляющей в исходной смеси, мольн.% Содержание оксида титана в исходной смеси, мольн.% Содержание в полученных продуктах нитрида титана по отношению к остаточному оксиду титана, % Примечание 30 70 2   45 55 6   60 40 31 Заявляемый способ 63 37 33 76 24 98 80 20 91 86 14 92  

Таблица 2 Содержание энергетической составляющей в исходной смеси, мольн.% Содержание оксида циркония в исходной смеси, мольн.% Содержание в полученных продуктах нитрида циркония по отношению к остаточному оксиду циркония, % Примечание 40 60 2   56 44 7   60 40 32 Заявляемый способ 70 30 68 76 24 72 80 20 78 86 14 87   90 10 98  

Изобретение может быть использовано для изготовления керамических и композиционных материалов. Экзотермическую смесь, состоящую из оксида азотируемого металла и энергетической составляющей, воспламеняют на воздухе при атмосферном давлении. В качестве энергетической добавки используют нанопорошок алюминия. В качестве оксида азотируемого металла используют TiO₂ или ZrO₂ в количестве 60-80 мольн.%. Изобретение позволяет упростить технологию и удешевить получаемую продукцию. 2 табл.

Способ получения нитридов металлов, включающий приготовление экзотермической смеси, состоящей из оксида азотируемого металла (TiO₂ или ZrO₂) и энергетической составляющей, и ее воспламенение в присутствии азотирующего агента, отличающийся тем, что в качестве азотирующего агента используют воздух при атмосферном давлении, а в качестве энергетической составляющей используют нанопорошок алюминия при следующем соотношении компонентов, мол.%:
энергетическая составляющая 60-80 оксид азотируемого металла остальное