ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА ПОРИСТОЙ ОКСИНИТРИДНОЙ КЕРАМИКИ В РЕЖИМЕ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ЧЕРЕЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО СТРУКТУРИРОВАННЫЕ РЕАКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
|
Введение
1 Методика экспериментов 11
2 Результаты 20
2.1 Особенности азотирования
Al+Si+SiO2+SiAlON+N2 реакционных систем 20
2.2 Интенсификация параметров синтеза 24
2.2.1 Интенсификация введением добавок
24
2.2.2 Интенсификация процесса синтеза бароциклированием
2.2.3 Интенсификация с помощью подогрева газового реагента
2.3 Тестирование функциональных свойств синтезированных материалов
2.3.1 Прочность на сжатие 30
2.3.2 Коррозионная стойкость 30
Выводы 33
Список использованной литературы 35
1 Методика экспериментов 11
2 Результаты 20
2.1 Особенности азотирования
Al+Si+SiO2+SiAlON+N2 реакционных систем 20
2.2 Интенсификация параметров синтеза 24
2.2.1 Интенсификация введением добавок
24
2.2.2 Интенсификация процесса синтеза бароциклированием
2.2.3 Интенсификация с помощью подогрева газового реагента
2.3 Тестирование функциональных свойств синтезированных материалов
2.3.1 Прочность на сжатие 30
2.3.2 Коррозионная стойкость 30
Выводы 33
Список использованной литературы 35
Для развития современной техники необходимы новые керамические материалы, обладающие сочетанием высоких характеристик термо-коррозионной стойкости, механической прочности, теплопроводности и других свойств, востребованных при решении широкого спектра практических задач. В настоящее время возрастает интерес к азотсодержащей керамике (нитриды, оксинитриды, оксикарбонитриды кремния, алюминия и других металлов), отличающейся от традиционной керамики улучшенными эксплуатационными свойствами. Эти материалы находят применение в качествах режущего инструмента, подшипников скольжения, ударопрочных стекол, высокотемпературных диэлектриков, несущей основы катализаторов, фильтров металлических расплавов и пр.
Обычно азотирование керамики производят посредством долгих выдержек образцов в высокотемпературных печах в атмосфере азота, что энергетически затратно и связано с целым рядом технических сложностей. Однако существует энергоэффективный способ - горение специально подобранных порошковых шихт в среде газообразного азота. Здесь необходимые химические соединения образуется посредством экзотермической реакции азотирования. Процесс может протекать в самоподдерживающемся волновом режиме, известном как самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). [1], началом которого стало открытие явления волновой локализации автотормозящихся твёрдофазных реакций, сделанное сотрудниками АН СССР Мержановым А.Г., Шкиро В.М., БоровинскойИ.П. [2].Суть явления состоит в том, что автотормозящиеся экзотермические реакции после их локального инициирования в некотором объёме могут сосредотачиваться в узкой зоне и самопроизвольно распространяться по реакционноспособной смеси в виде волны горения. Под СВС в настоящее время понимается широкий класс самоподдерживающихся процессов типа горения, в результате которых образуются полезные твёрдофазные продукты.
Схематически процесс СВС может быть представлен в следующем виде:
4>о ) * $T P + <*> G + Q
i=1 j =1 k=0
где Ri - исходные реагенты в любом агрегатном состоянии,Р, -конденсированные продукты реакции,Ск - газообразнее продукты реакции,Q - выделившееся в процессе реакции тепло,Vi, Vj, Vk - стехиометрические коэффициенты.
Существует две формы экзотермического превращений - в режиме послойного горения и в режиме объёмного теплового взрыва. В режиме послойного горения экзотермическая реакция, после её локального инициирования, сосредотачивается в узкой зоне и самопроизвольно распространяется по структуре образца в виде волны СВС. Самым распространённым случаем СВС является взаимодействие смеси из твёрдофазных порошкообразных реагентов.
Типичная технологическая последовательность действий при организации процесса синтеза в порошковой системе выглядит следующим образом:
1. Из порошков реагентов необходимой дисперсности готовится исходная реакционная шихта заданного состава;
2. Шихта подвергается тщательному перемешиванию для получения однородной, гомогенной смеси реакционных компонентов;
3. Из шихты, либо прессованием до относительной плотности А, либо засыпкой в формообразующую оболочку, изготавливается образец для синтеза;
4. Образец помещается в реактор с необходимой газовой средой, давлением Ро и температурой То;
5. Процесс СВС в образце инициируется тепловым импульсом от внешнего источника энергии. Подведённая энергия прогревает узкий слой смеси исходных реагентов и активирует экзотермическую реакцию;
6. Выделяемое реакцией тепло передаётся в следующий слой, возбуждая дальнейшее протекание реакции и так далее.
В распространяющейся волне горения реализуются предпламенная зона, где протекают процессы тепло - и массопереноса и реакционная зона, в которой происходит интенсивное химическое тепловыделение и образование структуры материала (рис.1).
Наличие газового реагента в системе оказывает влияние на механизм горения. Распространение волны горения при давлении газового реагента ниже необходимого для полного превращения исходного твёрдофазного реагента в продукт (так называемого стехиометрического давления) осуществляется за счёт фильтрации газообразного реагента из окружающей среды к фронту горения по порам вещества. Фильтрация происходит благодаря возникающей разности давлений между зоной горения, в которой газ поглощается, и окружающей средой. Этот процесс назван фильтрационным горением.
На возможность реализации фильтрационного горения влияют такие параметры как газопроницаемость, размер образца, давление газа, кинетика химической реакции и пр. Важным критерием является критерий п- пропорциональное отношение характерных времён фильтрации газа tin/ и химической реакции в волне горения tr. Согласно [3]:
d &
m
k P2
kinfP0
где d - размер образца, Um- массовая скорость горения, kmf - коэффициент проницаемости среды, Ро - давление газового компонента.
Если пмного меньше единицы, то образец не оказывает сопротивления фильтрации и реализуется послойный режим горения. Если п много больше единицы, то взаимодействие реагентов проходит настолько быстро, что газ не успевает проникать к зоне поглощения в волне горения.
Благодаря СВС возможен синтез изделий с заданными свойствами, определёнными размерами и формами. В данном случае получаемое изделие является непосредственно продуктом СВС, когда в одном технологическом процессе формируется фазовый состав, микроструктура и структура порового пространства материала, что обеспечивает эксплуатационные свойства изделия. В связи с тем, что в процессе СВС в основном получаются пористые продукты, особо актуальным является углубленное изучение научно-технологических путей прямого СВ-синтеза пористых проницаемых материалов.
Пористые СВС материалы нашли широкое применение в качестве фильтров грубой очистки, горелок, шумо- и теплоизоляторов благодаря своей высокой ударопрочности и теплоустойчивости.
Получаемые продукты, в зависимости от организации процесса, видоизменяются от практически безпористых литых материалов, до высокопористых материалов и порошкообразных продуктов. Возможны три варианта изменения размеров:
1) . Форма и размеры образца в процессе синтеза изменяются незначительно. При сохранении формы и размеров образцов их пористость может изменяться. Так в безгазовых системах пористость увеличивается, так как плотности продуктов горения обычно выше, чем у исходных реагентов. У гибридных систем пористость уменьшается в процессе синтеза идёт поглощение газового реагента и соответствующее увеличение массы образца.
2) . Форма образцов сохраняется, но сильно изменяются размеры. Например, сохранение цилиндрической формы при увеличении длинны образца. Необходимым условием является организация газовыделения в волне горения плавящихся веществ. Газовыделение может быть примесным, а может быть привнесённым, например, когда газовая фаза возникает в результате разложения специальной добавки.
3) . И форма и размер образцов изменяются при горении. Обычно это наблюдается при горении составов, формирующих расплавленные продукты.
Для получения пористых изделий заданной формы обычно проводят СВ- синтез в образце, предварительно спрессованном в виде нужного изделия. В этом случае общая пористость в процессе синтеза может изменяться лишь на величину объёмного эффекта фазообразования, что значительно ограничивает диапазон регулирования пористости. В связи с этим, привлекательными становятся методы предварительного формирования порового пространства, т.е. изготовления из шихты реакционных компонентов пористых брикетов. Путём проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза сформованных брикетов, можно получать пористые материалы, сохраняющие поровую структуру последних.
Использование метода шликерного вспенивания нашло применение для синтеза СВС-огнеупорных смесей и жаростойких лёгких СВС-бетонов (диапазон плотностей от 200 кг/м3 до 1700 кг/м3) [4]. Основными компонентами реакции являются Al и S1O2, шихту из которых затворяют жидким связующим - натриевым стеклом или ортофосфорной кислотой. Полученный шликер заливается в разборную оснастку (формы различны - кирпичи, блоки до 0,5 м высотой, брусья, плиты, панели, скорлупы и т.п.), причём варьирование пористости материалов производится путём изменения соотношения объёма шликера к объёму оснастки. Далее, в процессе вспенивания, шликер заполняет оснастку. Реакция газовыделения протекает в экзотермическом режиме за счёт окисления кристаллического кремния (используется в качестве газообразующего реагента) в щелочной среде с выделением водорода и большого количества тепла, что приводит к быстрому вскипанию шликера и выпариванию большей части воды из брикета [5]. Получаемый отвёрженный пористый брикетов зависимости от объёма заливаемого шликера обладает пористостью от 30 до 85%. При последующем нагреве брикета инициируется объемный тепловой взрыв с образованием алюмосиликатного бетона из муллитовых, кристобаллитовых и фаз оксида алюминия. Авторами отмечено, что чем выше вязкость шликера, тем более мелкопористый материал получается в процессе вспенивания.
Данным способом получен широкий ассортимент огнеупоров (материалов и изделий из минерального сырья, способных сохранять без значительных изменений эксплуатационные свойства при высоких температурах [6]) и легковесов (теплоизоляционные материалы с общей пористостью выше 45% и пониженной кажущейся плотностью < 1,4 г/см3) из алюмосиликатного сырья. Метод СВС применяется как для изготовления готовых изделий из алюмосиликатов, так и неформованных огнеупоров в виде сухих порошков или пластичных масс для формовки огнеупора шликерными методами по месту эксплуатации.
Большие успехи в синтезировании пористых оксинитридов кремния и алюминия были описаны в данной работе [7]. В рамках описанного исследования разрабатывались научно-технологические основы прямого СВС спекания пористых оксинитридных материалов, не нуждающихся в последующих стадиях высокотемпературной переработки. Была изучена кинетика СВС-азотирования системы Al+SiO2+SiAlON+N2 в режиме принудительной фильтрации азота при организации спутной и встречной фильтрации в проточном реакторе при давлениях до 1 МПа. Изучено влияние массового расхода, давления, пористости реакционных образцов на макрокинетические параметры синтеза. Разработан новый подход к регулированию поровой структуры керамических материалов, синтезируемых в фильтрационном режиме СВС [8]. Подход заключается в проведении СВ-синтеза в предварительно структурированных пористых реакционных системах. Показано, что структурирование методами шликерного вспенивания с использованием выгорающих порообразователей позволяет широко варьировать параметры поровой структуры продуктов синтеза: пористость 40 - 75 %, средний размер элементов скелета 240 мкм - 3,5 мм, средний размер порового канала 9 - 390 мкм и процент открытой пористости 40 - 84 %.
На рисунке 2 представлены структуры порового пространства реакционных образцов, полученных в рамках вышеизложенного исследования, структурированных с использованием выгорающих порообразователей произвольной формы, а также с 30 % добавлением в структуру порообразователей сферической и продолговатой формы. Установлено, что структура пористости наследуется в процессе синтеза, при этом происходит уменьшение пористости элементов скелета на 10 %. Это связано с зарастанием мельчайших пор, локализованных в элементах каркаса продуктами синтеза в процессе горения. Получаемые пористые материалы имеют следующие параметры пористости: пористость 56 - 62 %, средний размер элементов скелета 2 - 3,5 мм, средний размер порового канала 330 - 390 мкм, удельная поверхность открытой пористости 1,6 - 3мм-1, процент закрытой пористости 16 - 30 %.
В настоящей бакалаврской работе продолжено развитие СВ-синтеза пористых сиалонов. Приведены результаты исследования фильтрационного горения составов (Al+Si+SiO2+SiAlON+N2), нормированных на получение бета сиалонов со степенью замещения 2 и 4.Предложены различные методики интенсификации процесса синтеза для получения однофазных материалов, такие как организация прерывистой подачи реакционного газа, изменение начальной температуры газового реагента, введение интенсифицирующих газофазные реакции добавок и варьирование степени разбавления реакционной шихты термически инертным компонентом. Приведены данные по тестированию функциональных характеристик синтезированных керамик в качестве теплоизоляционных и фильтрующих материалов.
Обычно азотирование керамики производят посредством долгих выдержек образцов в высокотемпературных печах в атмосфере азота, что энергетически затратно и связано с целым рядом технических сложностей. Однако существует энергоэффективный способ - горение специально подобранных порошковых шихт в среде газообразного азота. Здесь необходимые химические соединения образуется посредством экзотермической реакции азотирования. Процесс может протекать в самоподдерживающемся волновом режиме, известном как самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). [1], началом которого стало открытие явления волновой локализации автотормозящихся твёрдофазных реакций, сделанное сотрудниками АН СССР Мержановым А.Г., Шкиро В.М., БоровинскойИ.П. [2].Суть явления состоит в том, что автотормозящиеся экзотермические реакции после их локального инициирования в некотором объёме могут сосредотачиваться в узкой зоне и самопроизвольно распространяться по реакционноспособной смеси в виде волны горения. Под СВС в настоящее время понимается широкий класс самоподдерживающихся процессов типа горения, в результате которых образуются полезные твёрдофазные продукты.
Схематически процесс СВС может быть представлен в следующем виде:
4>о ) * $T P + <*> G + Q
i=1 j =1 k=0
где Ri - исходные реагенты в любом агрегатном состоянии,Р, -конденсированные продукты реакции,Ск - газообразнее продукты реакции,Q - выделившееся в процессе реакции тепло,Vi, Vj, Vk - стехиометрические коэффициенты.
Существует две формы экзотермического превращений - в режиме послойного горения и в режиме объёмного теплового взрыва. В режиме послойного горения экзотермическая реакция, после её локального инициирования, сосредотачивается в узкой зоне и самопроизвольно распространяется по структуре образца в виде волны СВС. Самым распространённым случаем СВС является взаимодействие смеси из твёрдофазных порошкообразных реагентов.
Типичная технологическая последовательность действий при организации процесса синтеза в порошковой системе выглядит следующим образом:
1. Из порошков реагентов необходимой дисперсности готовится исходная реакционная шихта заданного состава;
2. Шихта подвергается тщательному перемешиванию для получения однородной, гомогенной смеси реакционных компонентов;
3. Из шихты, либо прессованием до относительной плотности А, либо засыпкой в формообразующую оболочку, изготавливается образец для синтеза;
4. Образец помещается в реактор с необходимой газовой средой, давлением Ро и температурой То;
5. Процесс СВС в образце инициируется тепловым импульсом от внешнего источника энергии. Подведённая энергия прогревает узкий слой смеси исходных реагентов и активирует экзотермическую реакцию;
6. Выделяемое реакцией тепло передаётся в следующий слой, возбуждая дальнейшее протекание реакции и так далее.
В распространяющейся волне горения реализуются предпламенная зона, где протекают процессы тепло - и массопереноса и реакционная зона, в которой происходит интенсивное химическое тепловыделение и образование структуры материала (рис.1).
Наличие газового реагента в системе оказывает влияние на механизм горения. Распространение волны горения при давлении газового реагента ниже необходимого для полного превращения исходного твёрдофазного реагента в продукт (так называемого стехиометрического давления) осуществляется за счёт фильтрации газообразного реагента из окружающей среды к фронту горения по порам вещества. Фильтрация происходит благодаря возникающей разности давлений между зоной горения, в которой газ поглощается, и окружающей средой. Этот процесс назван фильтрационным горением.
На возможность реализации фильтрационного горения влияют такие параметры как газопроницаемость, размер образца, давление газа, кинетика химической реакции и пр. Важным критерием является критерий п- пропорциональное отношение характерных времён фильтрации газа tin/ и химической реакции в волне горения tr. Согласно [3]:
d &
m
k P2
kinfP0
где d - размер образца, Um- массовая скорость горения, kmf - коэффициент проницаемости среды, Ро - давление газового компонента.
Если пмного меньше единицы, то образец не оказывает сопротивления фильтрации и реализуется послойный режим горения. Если п много больше единицы, то взаимодействие реагентов проходит настолько быстро, что газ не успевает проникать к зоне поглощения в волне горения.
Благодаря СВС возможен синтез изделий с заданными свойствами, определёнными размерами и формами. В данном случае получаемое изделие является непосредственно продуктом СВС, когда в одном технологическом процессе формируется фазовый состав, микроструктура и структура порового пространства материала, что обеспечивает эксплуатационные свойства изделия. В связи с тем, что в процессе СВС в основном получаются пористые продукты, особо актуальным является углубленное изучение научно-технологических путей прямого СВ-синтеза пористых проницаемых материалов.
Пористые СВС материалы нашли широкое применение в качестве фильтров грубой очистки, горелок, шумо- и теплоизоляторов благодаря своей высокой ударопрочности и теплоустойчивости.
Получаемые продукты, в зависимости от организации процесса, видоизменяются от практически безпористых литых материалов, до высокопористых материалов и порошкообразных продуктов. Возможны три варианта изменения размеров:
1) . Форма и размеры образца в процессе синтеза изменяются незначительно. При сохранении формы и размеров образцов их пористость может изменяться. Так в безгазовых системах пористость увеличивается, так как плотности продуктов горения обычно выше, чем у исходных реагентов. У гибридных систем пористость уменьшается в процессе синтеза идёт поглощение газового реагента и соответствующее увеличение массы образца.
2) . Форма образцов сохраняется, но сильно изменяются размеры. Например, сохранение цилиндрической формы при увеличении длинны образца. Необходимым условием является организация газовыделения в волне горения плавящихся веществ. Газовыделение может быть примесным, а может быть привнесённым, например, когда газовая фаза возникает в результате разложения специальной добавки.
3) . И форма и размер образцов изменяются при горении. Обычно это наблюдается при горении составов, формирующих расплавленные продукты.
Для получения пористых изделий заданной формы обычно проводят СВ- синтез в образце, предварительно спрессованном в виде нужного изделия. В этом случае общая пористость в процессе синтеза может изменяться лишь на величину объёмного эффекта фазообразования, что значительно ограничивает диапазон регулирования пористости. В связи с этим, привлекательными становятся методы предварительного формирования порового пространства, т.е. изготовления из шихты реакционных компонентов пористых брикетов. Путём проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза сформованных брикетов, можно получать пористые материалы, сохраняющие поровую структуру последних.
Использование метода шликерного вспенивания нашло применение для синтеза СВС-огнеупорных смесей и жаростойких лёгких СВС-бетонов (диапазон плотностей от 200 кг/м3 до 1700 кг/м3) [4]. Основными компонентами реакции являются Al и S1O2, шихту из которых затворяют жидким связующим - натриевым стеклом или ортофосфорной кислотой. Полученный шликер заливается в разборную оснастку (формы различны - кирпичи, блоки до 0,5 м высотой, брусья, плиты, панели, скорлупы и т.п.), причём варьирование пористости материалов производится путём изменения соотношения объёма шликера к объёму оснастки. Далее, в процессе вспенивания, шликер заполняет оснастку. Реакция газовыделения протекает в экзотермическом режиме за счёт окисления кристаллического кремния (используется в качестве газообразующего реагента) в щелочной среде с выделением водорода и большого количества тепла, что приводит к быстрому вскипанию шликера и выпариванию большей части воды из брикета [5]. Получаемый отвёрженный пористый брикетов зависимости от объёма заливаемого шликера обладает пористостью от 30 до 85%. При последующем нагреве брикета инициируется объемный тепловой взрыв с образованием алюмосиликатного бетона из муллитовых, кристобаллитовых и фаз оксида алюминия. Авторами отмечено, что чем выше вязкость шликера, тем более мелкопористый материал получается в процессе вспенивания.
Данным способом получен широкий ассортимент огнеупоров (материалов и изделий из минерального сырья, способных сохранять без значительных изменений эксплуатационные свойства при высоких температурах [6]) и легковесов (теплоизоляционные материалы с общей пористостью выше 45% и пониженной кажущейся плотностью < 1,4 г/см3) из алюмосиликатного сырья. Метод СВС применяется как для изготовления готовых изделий из алюмосиликатов, так и неформованных огнеупоров в виде сухих порошков или пластичных масс для формовки огнеупора шликерными методами по месту эксплуатации.
Большие успехи в синтезировании пористых оксинитридов кремния и алюминия были описаны в данной работе [7]. В рамках описанного исследования разрабатывались научно-технологические основы прямого СВС спекания пористых оксинитридных материалов, не нуждающихся в последующих стадиях высокотемпературной переработки. Была изучена кинетика СВС-азотирования системы Al+SiO2+SiAlON+N2 в режиме принудительной фильтрации азота при организации спутной и встречной фильтрации в проточном реакторе при давлениях до 1 МПа. Изучено влияние массового расхода, давления, пористости реакционных образцов на макрокинетические параметры синтеза. Разработан новый подход к регулированию поровой структуры керамических материалов, синтезируемых в фильтрационном режиме СВС [8]. Подход заключается в проведении СВ-синтеза в предварительно структурированных пористых реакционных системах. Показано, что структурирование методами шликерного вспенивания с использованием выгорающих порообразователей позволяет широко варьировать параметры поровой структуры продуктов синтеза: пористость 40 - 75 %, средний размер элементов скелета 240 мкм - 3,5 мм, средний размер порового канала 9 - 390 мкм и процент открытой пористости 40 - 84 %.
На рисунке 2 представлены структуры порового пространства реакционных образцов, полученных в рамках вышеизложенного исследования, структурированных с использованием выгорающих порообразователей произвольной формы, а также с 30 % добавлением в структуру порообразователей сферической и продолговатой формы. Установлено, что структура пористости наследуется в процессе синтеза, при этом происходит уменьшение пористости элементов скелета на 10 %. Это связано с зарастанием мельчайших пор, локализованных в элементах каркаса продуктами синтеза в процессе горения. Получаемые пористые материалы имеют следующие параметры пористости: пористость 56 - 62 %, средний размер элементов скелета 2 - 3,5 мм, средний размер порового канала 330 - 390 мкм, удельная поверхность открытой пористости 1,6 - 3мм-1, процент закрытой пористости 16 - 30 %.
В настоящей бакалаврской работе продолжено развитие СВ-синтеза пористых сиалонов. Приведены результаты исследования фильтрационного горения составов (Al+Si+SiO2+SiAlON+N2), нормированных на получение бета сиалонов со степенью замещения 2 и 4.Предложены различные методики интенсификации процесса синтеза для получения однофазных материалов, такие как организация прерывистой подачи реакционного газа, изменение начальной температуры газового реагента, введение интенсифицирующих газофазные реакции добавок и варьирование степени разбавления реакционной шихты термически инертным компонентом. Приведены данные по тестированию функциональных характеристик синтезированных керамик в качестве теплоизоляционных и фильтрующих материалов.
В результате выполнения работы разработаны и получены следующие методики и результаты:
1. Исследованы процессы фильтрационного горения, организованные в предварительно структурированных методом шликерного литья с добавлением выгорающих порообразователей порошковых реакционных образцах состава Al+Si+SiO2+SiAlON и направленные на разработку оптимальной технологии синтеза пористых проницаемых сиалоновых материалов.
2. Исследованы кинетические особенности процесса фильтрационного горения пористых порошковых композиций содержащих кремний в составе исходной шихты (бета сиалоны со степень замещения менее 4). Установлено, что азотирование данных составов протекает с меньшей скоростью, чем композиций со степень замещения 4 (не содержащих кремния), при этом процессы доазотирования вносят существенный вклад в получение однофазных материалов.
3. Установлено, что для получения оксинитридных материалов с высокой степенью азотирования необходимо использовать приём разбавления шихты термически инертным компонентом. Для получения однофазного материала в качестве разбавителя необходимо использовать базовый сиалон. Показано, что максимальная степень азотирования достигается на пределе горения, что актуализирует разработку методов интенсификации процесса фильтрационного горения.
4. В качестве метода интенсификации процесса синтеза сиалоновых композиций со степенью замещения менее 4, предложено введение в состав шихты фторсодержащих добавок. Установлено, что добавка 1 % топазового концентрата позволяет получать пористые сиалоновые материалы со степень азотирования близкой к 1, причём использование добавок позволяет провести синтез составов, не реагирующих в автоволновом режиме при прочих равных условиях
5. В качестве метода интенсификации процесса синтеза предложен приём циклической подачи реакционного газа, который заключается в цикличном изменении давления внутри проточного реактора. Показано, что бароциклирование позволяет получать материалы с повышенной степенью азотирования при прочих равных условиях синтеза. Оптимальной частотой бароциклирования является частота у = 5, при низких частотах синтез не протекает.
6. В качестве метода интенсификации процесса синтеза предложен приём увеличения начальной температуры газового реагента. Установлено, что максимальная температура синтеза увеличивается на величину начального подогрева газа, что актуально для повышения спечённости продуктов синтеза слабоэкзотермичных смесей.
7. Протестирована прочность на сжатие синтезированных материалов. Установлено, что прочность пористых однофазных бета сиалонов со степенью замещения z = 2 и z = 4 находится на уровне не ниже 4 Н/мм2, что соответствует уровню используемых в промышленности легковесных теплоизоляционных керамик (пористость более 60%). Данный уровень прочности позволяет использовать синтезированные керамические материалы в качестве огнеупоров, фильтров агрессивных кислот, носителей катализаторов.
8. Протестирована коррозионная стойкость синтезированных керамик в растворах агрессивных сред на примере электролитов и кислот, используемых в гидрометаллургии никеля. Лабораторные испытания показали, что синтезированные однофазные пористые бета сиалоны со степенью замещения z = 2 и z = 4 не разрушаются в данных средах и сохраняют свою механическую прочность.
36
1. Исследованы процессы фильтрационного горения, организованные в предварительно структурированных методом шликерного литья с добавлением выгорающих порообразователей порошковых реакционных образцах состава Al+Si+SiO2+SiAlON и направленные на разработку оптимальной технологии синтеза пористых проницаемых сиалоновых материалов.
2. Исследованы кинетические особенности процесса фильтрационного горения пористых порошковых композиций содержащих кремний в составе исходной шихты (бета сиалоны со степень замещения менее 4). Установлено, что азотирование данных составов протекает с меньшей скоростью, чем композиций со степень замещения 4 (не содержащих кремния), при этом процессы доазотирования вносят существенный вклад в получение однофазных материалов.
3. Установлено, что для получения оксинитридных материалов с высокой степенью азотирования необходимо использовать приём разбавления шихты термически инертным компонентом. Для получения однофазного материала в качестве разбавителя необходимо использовать базовый сиалон. Показано, что максимальная степень азотирования достигается на пределе горения, что актуализирует разработку методов интенсификации процесса фильтрационного горения.
4. В качестве метода интенсификации процесса синтеза сиалоновых композиций со степенью замещения менее 4, предложено введение в состав шихты фторсодержащих добавок. Установлено, что добавка 1 % топазового концентрата позволяет получать пористые сиалоновые материалы со степень азотирования близкой к 1, причём использование добавок позволяет провести синтез составов, не реагирующих в автоволновом режиме при прочих равных условиях
5. В качестве метода интенсификации процесса синтеза предложен приём циклической подачи реакционного газа, который заключается в цикличном изменении давления внутри проточного реактора. Показано, что бароциклирование позволяет получать материалы с повышенной степенью азотирования при прочих равных условиях синтеза. Оптимальной частотой бароциклирования является частота у = 5, при низких частотах синтез не протекает.
6. В качестве метода интенсификации процесса синтеза предложен приём увеличения начальной температуры газового реагента. Установлено, что максимальная температура синтеза увеличивается на величину начального подогрева газа, что актуально для повышения спечённости продуктов синтеза слабоэкзотермичных смесей.
7. Протестирована прочность на сжатие синтезированных материалов. Установлено, что прочность пористых однофазных бета сиалонов со степенью замещения z = 2 и z = 4 находится на уровне не ниже 4 Н/мм2, что соответствует уровню используемых в промышленности легковесных теплоизоляционных керамик (пористость более 60%). Данный уровень прочности позволяет использовать синтезированные керамические материалы в качестве огнеупоров, фильтров агрессивных кислот, носителей катализаторов.
8. Протестирована коррозионная стойкость синтезированных керамик в растворах агрессивных сред на примере электролитов и кислот, используемых в гидрометаллургии никеля. Лабораторные испытания показали, что синтезированные однофазные пористые бета сиалоны со степенью замещения z = 2 и z = 4 не разрушаются в данных средах и сохраняют свою механическую прочность.
36
