Помощь студентам в учебе
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ НИТРИДОВ ВАНАДИЯ, НИОБИЯ И ТАНТАЛА СИНТЕЗОМ СЖИГАНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СПОСОБАХ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ
НИТРИДОВ МЕТАЛЛОВ V ГРУППЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МЕНДЕЛЕЕВА Д.И. И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИТРИДОВ
ВАНАДИЯ, НИОБИЯ И ТАНТАЛА 10
1.1 Физико-химические свойства нитридов ванадия, ниобия и тантала 10
1.2 Методы получения нитридов металлов 16
1.2.1 Печной способ 16
1.2.2 Плазмохимический синтез 18
1.2.3 Азидная технология СВС 19
1.2.4 Карботермическое восстановление и другие методы получения нитридов23
1.3 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез 31
1.4 Постановка задачи исследований 39
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ 41
2.1 Рентгенофазовый анализ 41
2.2 Дифференциальный термический анализ 43
2.3 Сканирующая электронная микроскопия 45
2.4 Материалы и приготовление образцов для исследований 46
2.5 Методика приготовления смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами
ванадия, ниобия и танатала 49
2.6 Методика синтеза сжигания в воздухе смесей нанопорошка алюминия с
пентаоксидами ниобия и тантала 51
2.7 Методика приготовления и синтеза сжигания прессованных образцов в среде
жидкого азота 52
ГЛАВА 3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ПРОЦЕССА
ФОРМИРОВАНИЯ НИТРИДОВ ВАНАДИЯ, НИОБИЯ И ТАНТАЛА В
ВОЗДУХЕ 55
3.1 Введение к главе 3 55
3.2 Термодинамический расчет формирования нитридов V группы 55
3.3 Выводы по главе 3 61
ГЛАВА 4. ПОЛУЧЕНИЕ ТУГОПЛАВКИХ НИТРИДНЫХ ПОРОШКОВ СЖИГАНИЕМ В ВОЗДУХЕ НАНОПОРОШКА АЛЮМИНИЯ С ПЕНТАОКСИДАМИ МЕТАЛЛОВ V ГРУППЫ 62
4.1 Введение к главе 4 62
4.2 Получение нитрида ниобия синтезом сжигания в воздухе смесей
нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия 63
4.2.1 Определение параметров активности термической смеси нанопорошка
алюминия с пентаоксидом ниобия 63
4.2.2 Структурное превращение нитрида ниобия Nb2N в процессе сжигания
нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия в воздухе 65
4.3 Получение тугоплавкого нитрида тантала синтезом сжигания в воздухе
смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала 70
4.3.1 Параметры химической активности смесей нанопорошка алюминия с
пентаоксидом тантала 70
4.3.2. Фазовый состав продуктов сгорания смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала 73
4.4 Получение нитрида ванадия синтезом сжигания в воздухе смесей
нанопорошка алюминия с пентаоксидом ванадия 78
4.5 Исследование фазового состава прессованных образцов синтезом сжигания
смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами ниобия и тантала в среде жидкого азота 81
4.5.1 Рентгенофазовые исследования компактного нитрида ниобия 81
4.5.2 Рентгенофазовые исследования компактного нитрида тантала 83
4.6 Выводы по главе 4 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ 89
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 90
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 93
Приложение А Акт использования результатов диссертационной работы в
учебном процессе 107
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СПОСОБАХ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ
НИТРИДОВ МЕТАЛЛОВ V ГРУППЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МЕНДЕЛЕЕВА Д.И. И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИТРИДОВ
ВАНАДИЯ, НИОБИЯ И ТАНТАЛА 10
1.1 Физико-химические свойства нитридов ванадия, ниобия и тантала 10
1.2 Методы получения нитридов металлов 16
1.2.1 Печной способ 16
1.2.2 Плазмохимический синтез 18
1.2.3 Азидная технология СВС 19
1.2.4 Карботермическое восстановление и другие методы получения нитридов23
1.3 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез 31
1.4 Постановка задачи исследований 39
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ 41
2.1 Рентгенофазовый анализ 41
2.2 Дифференциальный термический анализ 43
2.3 Сканирующая электронная микроскопия 45
2.4 Материалы и приготовление образцов для исследований 46
2.5 Методика приготовления смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами
ванадия, ниобия и танатала 49
2.6 Методика синтеза сжигания в воздухе смесей нанопорошка алюминия с
пентаоксидами ниобия и тантала 51
2.7 Методика приготовления и синтеза сжигания прессованных образцов в среде
жидкого азота 52
ГЛАВА 3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ПРОЦЕССА
ФОРМИРОВАНИЯ НИТРИДОВ ВАНАДИЯ, НИОБИЯ И ТАНТАЛА В
ВОЗДУХЕ 55
3.1 Введение к главе 3 55
3.2 Термодинамический расчет формирования нитридов V группы 55
3.3 Выводы по главе 3 61
ГЛАВА 4. ПОЛУЧЕНИЕ ТУГОПЛАВКИХ НИТРИДНЫХ ПОРОШКОВ СЖИГАНИЕМ В ВОЗДУХЕ НАНОПОРОШКА АЛЮМИНИЯ С ПЕНТАОКСИДАМИ МЕТАЛЛОВ V ГРУППЫ 62
4.1 Введение к главе 4 62
4.2 Получение нитрида ниобия синтезом сжигания в воздухе смесей
нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия 63
4.2.1 Определение параметров активности термической смеси нанопорошка
алюминия с пентаоксидом ниобия 63
4.2.2 Структурное превращение нитрида ниобия Nb2N в процессе сжигания
нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия в воздухе 65
4.3 Получение тугоплавкого нитрида тантала синтезом сжигания в воздухе
смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала 70
4.3.1 Параметры химической активности смесей нанопорошка алюминия с
пентаоксидом тантала 70
4.3.2. Фазовый состав продуктов сгорания смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала 73
4.4 Получение нитрида ванадия синтезом сжигания в воздухе смесей
нанопорошка алюминия с пентаоксидом ванадия 78
4.5 Исследование фазового состава прессованных образцов синтезом сжигания
смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами ниобия и тантала в среде жидкого азота 81
4.5.1 Рентгенофазовые исследования компактного нитрида ниобия 81
4.5.2 Рентгенофазовые исследования компактного нитрида тантала 83
4.6 Выводы по главе 4 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ 89
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 90
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 93
Приложение А Акт использования результатов диссертационной работы в
учебном процессе 107
Актуальность работы. Нитриды V группы Периодической системы Д. И Менделеева (V, Nb, Ta) и соединения на их основе имеют большое значение в развитии многих отраслей современного производства. Нитриды ванадия, ниобия и тантала обладают рядом ценных свойств: высокая твердость, тугоплавкость, термостойкость, стойкость в агрессивных химических средах. В производство режущего инструмента добавляют тугоплавкие металлы (элементы V группы), чтобы повысить прочность и пластичность изделий, а также за счет высокой электропроводности можно снять электростатический потенциал при резании. Известным методом получения порошков нитридов металлов является самораспространяющийся высокотемпературных синтез (СВС).
Альтернативой данного метода является получение нитридсодержащих порошков синтезом сжиганием в воздухе смесей нанопорошка алюминия с оксидами металлов. Известные технологии получения нитридов металлов требуют большое время синтеза и сложного оборудования. Актуальность работы заключается в разработке физико-химического механизма, объясняющегося закономерности образования нитридсодержащих материалов.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время методы получения нитридов металлов достаточно хорошо изучены. Значительный вклад в исследование методов получения, свойств и областей применения нитридов был сделан русскими учеными, из которых следует в первую очередь упомянуть З. Г. Пинскера, Б. Ф. Ормонта, И. И. Жукова, выполнивших ряд принципиально важных и во многом основополагающих работ по нитридам в первой половине ХХ века. Крупные работы в этом направлении были сделаны за рубежом Г. Брауэром, Р. Юца, Г. Хэггом, Н. Шенбергом, Е. Гебхардтом, К. Лгте, Е. Фридерих, Л. Зиттигом и многими другими. Несмотря на большое количество опубликованных работ, фактически технология получения нитридов металлов синтезом сжигания в воздухе мало изучена.
Технология получения порошков, содержащих нитриды металлов синтезом сжигания в воздухе разрабатывалась профессором А. П. Ильиным в Томском политехническом университете. Под его научным руководством были защищены диссертации Громова А. А. «Закономерности процессов получения нитридов и оксинитридов элементов III-IV групп сжиганием порошков металлов в воздухе», Ан В. В. «Применение нанопорошков алюминия при получении нитридсодержащих материалов»; Толбановой Л. О. «Синтез керамических нитридсодержащих материалов сжиганием в воздухе смесей нанопорошка алюминия с нанопорошками W и Mo и порошком Cr»; Амелькович Ю. А. «Синтез керамических прекурсоров сжиганием в воздухе смесей порошков, активированных нанопорошками алюминия, железа и меди»; Мостовщиков А. В. «Синтез нитрида алюминия при горении нанопорошка алюминия в режиме теплового взрыва в воздухе при действии магнитного и электрического полей» и др. В разрабатываемой технологии практически не затрагивалось изучение физико-химических основ протекающих процессов образования нитридов.
Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является изучение закономерностей нитридообразования при сжигании в воздухе смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами ванадия, ниобия и тантала и объяснение физико-химического описания процесса образования нитридов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать существующие способы синтеза получения нитридов ванадия, ниобия и тантала;
2. Рассчитать термодинамические параметры процесса формирования нитридов ванадия, ниобия и тантала при условиях синтеза сжигания смесей в воздухе;
3. Определить параметры химической активности для исходных смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами;
4. Установить оптимальное мольное содержание нанопорошка алюминия в смесях с пентаоксидами ванадия, ниобия и тантала, в котором выход нитридов соответствующих металлов, полученных синтезом сжигания в воздухе, максимальный;
5. Экспериментально определить эффективность процессов сжигания в среде воздуха и жидкого азота смесей нанопорошка алюминия с оксидами элементов V группы, в которой выход нитрида максимальный.
Научная новизна:
1. Впервые установлено, что при синтезе сжиганием в воздухе смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами в конечных продуктах стабилизируются кристаллические фазы нитридов V группы - VN, Nb2N и TaN.
2. Экспериментально показано, что при сжигании нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия в среде жидкого азота образуется конечный продукт сгорания, содержащий 97 % нитрида ниобия.
3. Теоретически доказано, что физико-химический процесс образования нитридов металлов V группы при горении в воздухе в смесях с нанопорошком алюминия термодинамически возможен.
Теоретическая значимость работы заключается в получении новых научных знаний о физико-химических основах протекания процессов образования нитридов ванадия, ниобия и тантала при синтезе сжиганием в воздухе смесей нанопорошка алюминия с оксидами V группы Периодической системы Менделеева Д. И.
Практическая значимость диссертационной работы. На основании результатов исследования разработаны материалы, которые используются в пастах для шлифования и полирования, как добавка в специальные сплавы для их дисперсного упрочнения, а также для покрытий обрабатывающего инструмента и др. По результатам выполнения исследований получен акт внедрения от ООО «Корпорация западная Сибирь» (г. Томск).
Методология и методы исследования. Основными методами исследования в работе являются дифференциальный термический анализ, также для определения фазового состава конечных продуктов использован метод рентгенофазового анализа, растровая электронная микроскопия. Полученные результаты и установленные закономерности не противоречат основным законам физики и химии.
Положения, выносимые на защиту:
1. Процесс образования нитридов ванадия, ниобия и тантала при сгорании смесей пентаоксидов ванадия, ниобия и тантала с нанопорошком алюминия в воздухе происходит с отрицательным значением AG, и, следовательно, протекание такого процесса возможно.
2. При сжигании в воздухе смесей пентаоксидов ванадия, ниобия и тантала с нанопорошком алюминия в продуктах сгорания образуются нитриды, которые сохраняются при охлаждении продуктов в воздухе.
3. Синтез сжиганием нитрида ниобия смеси нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия в среде жидкого азота происходит в газовом пузыре, который позволяет получить чистый конечный продукт с повышенным выходом нитрида ниобия.
Достоверность результатов работы обеспечена применением современных методов научного исследования, многократным повторением экспериментов и обработкой их результатов. В работе использовано поверенное и современное научно-аналитическое оборудование, прошедшее аттестацию с использованием эталонных образцов.
Личный вклад. Личный вклад автора заключается в сборе и анализе литературных источников, экспериментальных данных по процессам горения порошков металлов, выборе методик эксперимента, участии в проведении экспериментов, обработке результатов исследований. Автором проведены исследования, демонстрирующие преимущества предложенной методики в сравнении с существующими аналогами.
Постановка задач, положений и обсуждение результатов научных исследований выполнены самим автором или при его непосредственном участии. Подготовка основных статей проводилась при непосредственном участии автора, и сделаны доклады на научных конференциях.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международной конференции с элементами научной школы для молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные технологии и материалы новых поколений» (г. Томск, 2017), Международной научно-технической молодежной конференции «Перспективные материалы конструкционного и медицинского назначения» (г. Томск, 2018), XVII Международный научно-исследовательский конкурс «Лучшая научно-исследовательская работа 2018» (г. Пенза, 2018), II Международном молодежном конгрессе «Современные материалы и технологии новых поколений» (г. Томск, 2019), V Всероссийском научном семинаре «Междисциплинарные проблемы аддитивных технологий» (г. Томск, 2019), III Всероссийской конференции «Г орячие точки химии твердого тела: от новых идей к новым материалам» (г. Новосибирск, 2019), IX Международной научнотехнической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» (г. Омск, 2019), Двадцать пятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (г. Екатеринбург - Ростов-на-Дону-Крым, 2019), XX Международной научно-практической конференции имени профессора Л.П. Кулёва студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке: материалы» (г. Томск, 2019 г.), VIII Всероссийской научно-технической конференции «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы (Ставеровские чтения)» (г. Красноярск, 2019), X Международной научно-технической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» (г. Омск, 2020), XXI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера посвященной 110- летию со дня рождения профессора А.Г. Стромберга «Химия и химическая технология в XXI веке: материалы», (г. Томск, 2020).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 13 публикациях, из них 4 статьи опубликованы в научных журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ, 3 статьи - в журналах, включенных в библиографическую базу данных цитирования Scopus, 9 публикаций в сборниках трудов конференций.
Соответствие паспорту заявленной специальности. Тема и содержание диссертационной работы соответствует научной специальности 1.4.4 - Физическая химия: 1) «Экспериментальное определение термодинамических свойств веществ, расчет термодинамических функций простых и сложных систем, в том числе на основе методов статистической термодинамики, изучение термодинамических аспектов фазовых превращений и фазовых переходов» (п. 2); 2) «Физико-химические основы процессов химической технологии и синтеза новых материалов» (п. 12).
Структура диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 132 использованных источников. Всего 107 страниц, в том числе 44 рисунка и 20 таблиц.
Автор настоящей диссертационной работы выражает особую благодарность за содействие в проведении экспериментов, обсуждение экспериментальных результатов и полезные советы в исследованиях д.ф.-м.н., профессору А. П. Ильину, и д.х.н., профессору Н. А. Колпаковой за поддержку и помощь в теоретическом анализе экспериментальных данных, постоянные консультации по вопросам термодинамики.
Альтернативой данного метода является получение нитридсодержащих порошков синтезом сжиганием в воздухе смесей нанопорошка алюминия с оксидами металлов. Известные технологии получения нитридов металлов требуют большое время синтеза и сложного оборудования. Актуальность работы заключается в разработке физико-химического механизма, объясняющегося закономерности образования нитридсодержащих материалов.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время методы получения нитридов металлов достаточно хорошо изучены. Значительный вклад в исследование методов получения, свойств и областей применения нитридов был сделан русскими учеными, из которых следует в первую очередь упомянуть З. Г. Пинскера, Б. Ф. Ормонта, И. И. Жукова, выполнивших ряд принципиально важных и во многом основополагающих работ по нитридам в первой половине ХХ века. Крупные работы в этом направлении были сделаны за рубежом Г. Брауэром, Р. Юца, Г. Хэггом, Н. Шенбергом, Е. Гебхардтом, К. Лгте, Е. Фридерих, Л. Зиттигом и многими другими. Несмотря на большое количество опубликованных работ, фактически технология получения нитридов металлов синтезом сжигания в воздухе мало изучена.
Технология получения порошков, содержащих нитриды металлов синтезом сжигания в воздухе разрабатывалась профессором А. П. Ильиным в Томском политехническом университете. Под его научным руководством были защищены диссертации Громова А. А. «Закономерности процессов получения нитридов и оксинитридов элементов III-IV групп сжиганием порошков металлов в воздухе», Ан В. В. «Применение нанопорошков алюминия при получении нитридсодержащих материалов»; Толбановой Л. О. «Синтез керамических нитридсодержащих материалов сжиганием в воздухе смесей нанопорошка алюминия с нанопорошками W и Mo и порошком Cr»; Амелькович Ю. А. «Синтез керамических прекурсоров сжиганием в воздухе смесей порошков, активированных нанопорошками алюминия, железа и меди»; Мостовщиков А. В. «Синтез нитрида алюминия при горении нанопорошка алюминия в режиме теплового взрыва в воздухе при действии магнитного и электрического полей» и др. В разрабатываемой технологии практически не затрагивалось изучение физико-химических основ протекающих процессов образования нитридов.
Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является изучение закономерностей нитридообразования при сжигании в воздухе смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами ванадия, ниобия и тантала и объяснение физико-химического описания процесса образования нитридов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать существующие способы синтеза получения нитридов ванадия, ниобия и тантала;
2. Рассчитать термодинамические параметры процесса формирования нитридов ванадия, ниобия и тантала при условиях синтеза сжигания смесей в воздухе;
3. Определить параметры химической активности для исходных смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами;
4. Установить оптимальное мольное содержание нанопорошка алюминия в смесях с пентаоксидами ванадия, ниобия и тантала, в котором выход нитридов соответствующих металлов, полученных синтезом сжигания в воздухе, максимальный;
5. Экспериментально определить эффективность процессов сжигания в среде воздуха и жидкого азота смесей нанопорошка алюминия с оксидами элементов V группы, в которой выход нитрида максимальный.
Научная новизна:
1. Впервые установлено, что при синтезе сжиганием в воздухе смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами в конечных продуктах стабилизируются кристаллические фазы нитридов V группы - VN, Nb2N и TaN.
2. Экспериментально показано, что при сжигании нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия в среде жидкого азота образуется конечный продукт сгорания, содержащий 97 % нитрида ниобия.
3. Теоретически доказано, что физико-химический процесс образования нитридов металлов V группы при горении в воздухе в смесях с нанопорошком алюминия термодинамически возможен.
Теоретическая значимость работы заключается в получении новых научных знаний о физико-химических основах протекания процессов образования нитридов ванадия, ниобия и тантала при синтезе сжиганием в воздухе смесей нанопорошка алюминия с оксидами V группы Периодической системы Менделеева Д. И.
Практическая значимость диссертационной работы. На основании результатов исследования разработаны материалы, которые используются в пастах для шлифования и полирования, как добавка в специальные сплавы для их дисперсного упрочнения, а также для покрытий обрабатывающего инструмента и др. По результатам выполнения исследований получен акт внедрения от ООО «Корпорация западная Сибирь» (г. Томск).
Методология и методы исследования. Основными методами исследования в работе являются дифференциальный термический анализ, также для определения фазового состава конечных продуктов использован метод рентгенофазового анализа, растровая электронная микроскопия. Полученные результаты и установленные закономерности не противоречат основным законам физики и химии.
Положения, выносимые на защиту:
1. Процесс образования нитридов ванадия, ниобия и тантала при сгорании смесей пентаоксидов ванадия, ниобия и тантала с нанопорошком алюминия в воздухе происходит с отрицательным значением AG, и, следовательно, протекание такого процесса возможно.
2. При сжигании в воздухе смесей пентаоксидов ванадия, ниобия и тантала с нанопорошком алюминия в продуктах сгорания образуются нитриды, которые сохраняются при охлаждении продуктов в воздухе.
3. Синтез сжиганием нитрида ниобия смеси нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия в среде жидкого азота происходит в газовом пузыре, который позволяет получить чистый конечный продукт с повышенным выходом нитрида ниобия.
Достоверность результатов работы обеспечена применением современных методов научного исследования, многократным повторением экспериментов и обработкой их результатов. В работе использовано поверенное и современное научно-аналитическое оборудование, прошедшее аттестацию с использованием эталонных образцов.
Личный вклад. Личный вклад автора заключается в сборе и анализе литературных источников, экспериментальных данных по процессам горения порошков металлов, выборе методик эксперимента, участии в проведении экспериментов, обработке результатов исследований. Автором проведены исследования, демонстрирующие преимущества предложенной методики в сравнении с существующими аналогами.
Постановка задач, положений и обсуждение результатов научных исследований выполнены самим автором или при его непосредственном участии. Подготовка основных статей проводилась при непосредственном участии автора, и сделаны доклады на научных конференциях.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международной конференции с элементами научной школы для молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные технологии и материалы новых поколений» (г. Томск, 2017), Международной научно-технической молодежной конференции «Перспективные материалы конструкционного и медицинского назначения» (г. Томск, 2018), XVII Международный научно-исследовательский конкурс «Лучшая научно-исследовательская работа 2018» (г. Пенза, 2018), II Международном молодежном конгрессе «Современные материалы и технологии новых поколений» (г. Томск, 2019), V Всероссийском научном семинаре «Междисциплинарные проблемы аддитивных технологий» (г. Томск, 2019), III Всероссийской конференции «Г орячие точки химии твердого тела: от новых идей к новым материалам» (г. Новосибирск, 2019), IX Международной научнотехнической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» (г. Омск, 2019), Двадцать пятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (г. Екатеринбург - Ростов-на-Дону-Крым, 2019), XX Международной научно-практической конференции имени профессора Л.П. Кулёва студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке: материалы» (г. Томск, 2019 г.), VIII Всероссийской научно-технической конференции «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы (Ставеровские чтения)» (г. Красноярск, 2019), X Международной научно-технической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» (г. Омск, 2020), XXI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера посвященной 110- летию со дня рождения профессора А.Г. Стромберга «Химия и химическая технология в XXI веке: материалы», (г. Томск, 2020).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 13 публикациях, из них 4 статьи опубликованы в научных журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ, 3 статьи - в журналах, включенных в библиографическую базу данных цитирования Scopus, 9 публикаций в сборниках трудов конференций.
Соответствие паспорту заявленной специальности. Тема и содержание диссертационной работы соответствует научной специальности 1.4.4 - Физическая химия: 1) «Экспериментальное определение термодинамических свойств веществ, расчет термодинамических функций простых и сложных систем, в том числе на основе методов статистической термодинамики, изучение термодинамических аспектов фазовых превращений и фазовых переходов» (п. 2); 2) «Физико-химические основы процессов химической технологии и синтеза новых материалов» (п. 12).
Структура диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 132 использованных источников. Всего 107 страниц, в том числе 44 рисунка и 20 таблиц.
Автор настоящей диссертационной работы выражает особую благодарность за содействие в проведении экспериментов, обсуждение экспериментальных результатов и полезные советы в исследованиях д.ф.-м.н., профессору А. П. Ильину, и д.х.н., профессору Н. А. Колпаковой за поддержку и помощь в теоретическом анализе экспериментальных данных, постоянные консультации по вопросам термодинамики.
Наиболее известным методом получения порошков нитридов металлов является самораспространяющийся высокотемпературных синтез (СВС). Данный метод СВС или синтез горения заключается в сильной экзотермической реакции, т.е. в выделяющейся теплоте в одной зоне смеси, которой достаточно для распространения реакции на соседнюю зону. Важной тенденцией в развитии науки является стремление к минимизации расходов материальных, энергетических и других ресурсов.
В настоящей работе рассмотрены физико-химические основы получения тугоплавких нитридов металлов путем сжигания в воздухе смесей нанопорошка алюминия с соответствующими оксидами Периодической системы Д.И. Менделеева.
Смеси нанопорошка алюминия и промышленных порошков пентаоксидов ванадия, ниобия и тантала сжигали в воздухе. При этом процесс горения протекал в режиме теплового взрыва (2200 - 2400 °С). Такой синтез позволяет получать новые тугоплавкие материалы.
В синтезе сжиганием смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами элементов V группы в воздухе в конечных продуктах присутствуют кристаллические фазы нитридов ванадия, ниобия и тантала при этом в конической навеске не образуется жидкой фазы.
В работе использовались современные экспериментальные методы исследования: дифференциальный термический анализ (для определения четырех параметров химической активности), электронная микроскопия и рентгенофазовый анализ с использованием дифракции рентгеновского излучения (для определения фазового состава продуктов сгорания нанопорошка).
По проделанной диссертационной работе сделаны следующие выводы:
1. Теоретически доказано, что значения энергии Гиббса систем уравнений реакций формирования нитридов ванадия, ниобия и тантала отрицательны, и таким образом эти реакции термодинамически разрешены.
2. Экспериментально установлено, что максимальный выход нитридов в продуктах сгорания нанопорошка алюминия с пентаоксидом ванадия осуществляется при массовом содержании нанопорошка алюминия 64 мас. %; с пентаоксидом ниобия при содержании 28 мас. %; с пентаоксидом тантала при содержании 15 мас. %.
3. Определено, что при горении в воздухе смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами ванадия, ниобия и тантала максимальный выход полученных нитридов составляет: VN = 28 %, Nb2N = 47 %, TaN = 40,7 %, а при сжигании состава нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия в компактированном виде в жидком азоте выход нитрида ниобия приближался к 97 %.
4. При синтезе сжиганием в среде чистого азота получены кристаллические фазы а- и P-Та, выход которых составил а-Та = 89,2 % и P-Та = 10,7 %, а нитрид тантала не обнаружен. Наиболее эффективным методом получения нитрида ниобия является синтез сжигания в среде чистого азота, а для нитридов ванадия и тантала в среде воздуха.
5. Установлено, что при горении в воздухе смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами ванадия, ниобия и тантала в продуктах сгорания содержатся кристаллические фазы - VN, Nb2N, TaN, которые образуются при взаимодействии азота воздуха с участием нанопорошка алюминия как восстановителя.
В настоящей работе рассмотрены физико-химические основы получения тугоплавких нитридов металлов путем сжигания в воздухе смесей нанопорошка алюминия с соответствующими оксидами Периодической системы Д.И. Менделеева.
Смеси нанопорошка алюминия и промышленных порошков пентаоксидов ванадия, ниобия и тантала сжигали в воздухе. При этом процесс горения протекал в режиме теплового взрыва (2200 - 2400 °С). Такой синтез позволяет получать новые тугоплавкие материалы.
В синтезе сжиганием смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами элементов V группы в воздухе в конечных продуктах присутствуют кристаллические фазы нитридов ванадия, ниобия и тантала при этом в конической навеске не образуется жидкой фазы.
В работе использовались современные экспериментальные методы исследования: дифференциальный термический анализ (для определения четырех параметров химической активности), электронная микроскопия и рентгенофазовый анализ с использованием дифракции рентгеновского излучения (для определения фазового состава продуктов сгорания нанопорошка).
По проделанной диссертационной работе сделаны следующие выводы:
1. Теоретически доказано, что значения энергии Гиббса систем уравнений реакций формирования нитридов ванадия, ниобия и тантала отрицательны, и таким образом эти реакции термодинамически разрешены.
2. Экспериментально установлено, что максимальный выход нитридов в продуктах сгорания нанопорошка алюминия с пентаоксидом ванадия осуществляется при массовом содержании нанопорошка алюминия 64 мас. %; с пентаоксидом ниобия при содержании 28 мас. %; с пентаоксидом тантала при содержании 15 мас. %.
3. Определено, что при горении в воздухе смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами ванадия, ниобия и тантала максимальный выход полученных нитридов составляет: VN = 28 %, Nb2N = 47 %, TaN = 40,7 %, а при сжигании состава нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия в компактированном виде в жидком азоте выход нитрида ниобия приближался к 97 %.
4. При синтезе сжиганием в среде чистого азота получены кристаллические фазы а- и P-Та, выход которых составил а-Та = 89,2 % и P-Та = 10,7 %, а нитрид тантала не обнаружен. Наиболее эффективным методом получения нитрида ниобия является синтез сжигания в среде чистого азота, а для нитридов ванадия и тантала в среде воздуха.
5. Установлено, что при горении в воздухе смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидами ванадия, ниобия и тантала в продуктах сгорания содержатся кристаллические фазы - VN, Nb2N, TaN, которые образуются при взаимодействии азота воздуха с участием нанопорошка алюминия как восстановителя.
