Помощь студентам в учебе
СИНТЕЗ СИАЛОНА В ПОЛЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИТРИДОВ КРЕМНИЯ И АЛЮМИНИЯ, И ТЕХНОЛОГИЯ КОМПОЗИТОВ НА ЕГО ОСНОВЕ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СПОСОБАХ СИНТЕЗА
СИАЛОНА И МАТЕРИАЛОВ НА ЕГО ОСНОВЕ 11
1.1. Сиалоны. Составы, структура, свойства
1.1.2. Фазообразование в бинарных системах Al-N, Al-Si, Si-N 17
1.1.3. Фазообразование в системах Si-Al-О, Al-Si-N, Si-Al-O-N 19
1.2. Способы получения сиалона 21
1.3. Термодинамические параметры сиалонов 28
1.4. Схемы реакций синтеза сиалона 33
1.5. Области применения сиалона 35
1.6. Методы получения высокотемпературных соединений и материалов с 37
использованием энергии плазмы
1.7. Теплопроводный материал модифицированный сиалоном 41
1.8. Выводы по главе 43
1.9. Постановка цели и задачи исследования 44
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ
2.1. Характеристика исходных материалов
2.1.2. Оксиды кремния и алюминия 46
2.1.3. Нитриды кремния и алюминия 47
2.1.4. Использование карбамида (H4N2CO) и жидкого стекла (Na2SiO3) 49
2.2. Методы исследования
2.2.1. Оптическая микроскопия 50
2.2.2. Сканирующая электронная микроскопия 51
2.2.3. Рентгенофазовый анализ 52
2.2.4. Ик-спектроскопия 53
2.2.5. Комплексный термический анализ ДСК и ТГА
2.2.6. Исследование температуропроводности и теплопроводности 54
2.3. Оборудование и подготовка образцов для синтеза
2.3.1. Схема плазматрона и температурные поля при синтезе сиалона 56
2.3.2. Подготовка компонентов и образцов для плазмохимического синтеза.. 61
2.4. Методика расчета термодинамических параметров и соединений с
использованием программного комплекса «ТЕРРА»
2.5. Рабочая гипотеза и варианты ее реализации
2.6 Методология диссертационного исследования
3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И ОЦЕНКА СТАБИЛЬНОСТИ
СИАЛОНОВ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ СИНТЕЗЕ
3.1. Анализ термодинамических параметров при нагреве многокомпонентных
соединений на основе нитридов и оксидов кремния и алюминия, рассчитанных при помощи комплекса «TERRA»
3.2. Оценка стабильности соединений в системах Si-N, Al-Si-N, Al-Si-O и Al-Si-
N-O на основе кристаллоэнергетического подхода
3.3. Схема образования сиалонов при температурном плазменного нагреве
Выводы по главе
4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СИНТЕЗА СИАЛОНОВ В
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ПОЛЕ ПЛАЗМЫ
4.1 Фазовый состав исходных компонентов. Рентгенофазовый анализ
исходных компонентов
4.2 Обоснование составов смесей для синтеза сиалонов в плазменном
энергетическом поле
4.3. Процессы синтеза фаз из композиции маршалита (SiO2) с алюминием....
4.4 Синтез сиалона из композиции нитрида кремния (Si3N4) с нитридом
алюминия (AlN)
4.5 Синтез сиалона из композиции нитрида кремния (Si3N4) с нитридом
алюминия (AlN) и оксида алюминия (Al2O3)
Выводы по главе
5 СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОГО
МАТЕРИАЛА, МОДИФИЦИРОВАННОГО УГЛЕРОДНЫМИ
НАНАОТРУБКАМИ И СИАЛОНОМ
5.1 Метод приготовления пластин для изготовления термопасты
5.2 Термофизические свойства
5.3 Результаты и обсуждения данных
5.4 Скретч тестирование теплопроводящего материала модифицируемого
сиалоном
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 140
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СПОСОБАХ СИНТЕЗА
СИАЛОНА И МАТЕРИАЛОВ НА ЕГО ОСНОВЕ 11
1.1. Сиалоны. Составы, структура, свойства
1.1.2. Фазообразование в бинарных системах Al-N, Al-Si, Si-N 17
1.1.3. Фазообразование в системах Si-Al-О, Al-Si-N, Si-Al-O-N 19
1.2. Способы получения сиалона 21
1.3. Термодинамические параметры сиалонов 28
1.4. Схемы реакций синтеза сиалона 33
1.5. Области применения сиалона 35
1.6. Методы получения высокотемпературных соединений и материалов с 37
использованием энергии плазмы
1.7. Теплопроводный материал модифицированный сиалоном 41
1.8. Выводы по главе 43
1.9. Постановка цели и задачи исследования 44
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ
2.1. Характеристика исходных материалов
2.1.2. Оксиды кремния и алюминия 46
2.1.3. Нитриды кремния и алюминия 47
2.1.4. Использование карбамида (H4N2CO) и жидкого стекла (Na2SiO3) 49
2.2. Методы исследования
2.2.1. Оптическая микроскопия 50
2.2.2. Сканирующая электронная микроскопия 51
2.2.3. Рентгенофазовый анализ 52
2.2.4. Ик-спектроскопия 53
2.2.5. Комплексный термический анализ ДСК и ТГА
2.2.6. Исследование температуропроводности и теплопроводности 54
2.3. Оборудование и подготовка образцов для синтеза
2.3.1. Схема плазматрона и температурные поля при синтезе сиалона 56
2.3.2. Подготовка компонентов и образцов для плазмохимического синтеза.. 61
2.4. Методика расчета термодинамических параметров и соединений с
использованием программного комплекса «ТЕРРА»
2.5. Рабочая гипотеза и варианты ее реализации
2.6 Методология диссертационного исследования
3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И ОЦЕНКА СТАБИЛЬНОСТИ
СИАЛОНОВ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ СИНТЕЗЕ
3.1. Анализ термодинамических параметров при нагреве многокомпонентных
соединений на основе нитридов и оксидов кремния и алюминия, рассчитанных при помощи комплекса «TERRA»
3.2. Оценка стабильности соединений в системах Si-N, Al-Si-N, Al-Si-O и Al-Si-
N-O на основе кристаллоэнергетического подхода
3.3. Схема образования сиалонов при температурном плазменного нагреве
Выводы по главе
4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СИНТЕЗА СИАЛОНОВ В
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ПОЛЕ ПЛАЗМЫ
4.1 Фазовый состав исходных компонентов. Рентгенофазовый анализ
исходных компонентов
4.2 Обоснование составов смесей для синтеза сиалонов в плазменном
энергетическом поле
4.3. Процессы синтеза фаз из композиции маршалита (SiO2) с алюминием....
4.4 Синтез сиалона из композиции нитрида кремния (Si3N4) с нитридом
алюминия (AlN)
4.5 Синтез сиалона из композиции нитрида кремния (Si3N4) с нитридом
алюминия (AlN) и оксида алюминия (Al2O3)
Выводы по главе
5 СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОГО
МАТЕРИАЛА, МОДИФИЦИРОВАННОГО УГЛЕРОДНЫМИ
НАНАОТРУБКАМИ И СИАЛОНОМ
5.1 Метод приготовления пластин для изготовления термопасты
5.2 Термофизические свойства
5.3 Результаты и обсуждения данных
5.4 Скретч тестирование теплопроводящего материала модифицируемого
сиалоном
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 140
Создание термостойких конструкционных материалов представляет собой одну из важных задач материаловедения. Комплекс физико- химических свойств, которым обладает группа материалов на основе нитридов кремния и алюминия имеет тенденцию к сохранению своих свойств даже при высоких температурах. Известно, что материал на основе 0-сиалон имеет значительное место в рассматриваемой группе нитридов, т. к. его активно применяют в современных технологиях при создании композитов, работающих в условиях высоких температур. В мире интенсивно разрабатываются эффективные технологии получения 0-сиалона и в настоящее время используют порядка десяти методов его получения. Но большой проблемой при получении сиалона, является создание высоких температурных полей необходимых для его синтеза. Перспективным методом при решении этой проблемы является применение плазматронов, создающих высокоэнтальпийные плазменные потоки с высокотемпературными полями, достигающих значений порядка 104 Кв сочетании с высокими скоростями нагрева ~10-3-10-5 K/сек. Потому научные исследования, направленные разработку новых методов для синтеза 0-сиалона на основе нитридов и оксидов кремния и алюминия при воздействии высокоэнтальпийными плазменными потоками являются актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования
Темпы изучения современных методов синтеза, свойств и практического применения сиалоновых фаз развиваются на протяжении последних 50 лет. Значительный вклад в это научное направление внесли Журавлёва Н.В., Швейкин Г.П., Верещагин В.И., Jack K., Neshpor H.P., Jun Ho Chung, Chen Z.Y, Asaka T., Banno H. и Cao G. Z. Необходимо отметить большой вклад по исследованию термодинамических свойств сиалона Заболотского А.В., Суворова С.А. Широко распространёнными методами получения сиалона являются самораспространяющейся высокотемпературный синтез и искровое плазменное спекание работах Волокитина Г.Г., Аньшакова А.С. разработана концепция и практически использовано применение энергии высокоэнтальпийной термической плазмы для создания высокотемпературных материалов разной природы.
Таким образом, имеется широкий спектр работ в области получения и изучения сиалонсодержащих материалов с использованием различных традиционных источников, в основе которых лежат высокотемпературные поля до значений 2000 - 2300 °С. В тоже время, известны технологии по созданию высокотемпературных полей выше 3000 °C. Однако научных публикаций в области изучения 0-сиалона при синтезировании его потоками низкотемпературной плазмы согласно литературному анализу, не имеется. Вопрос синтеза 0-сиалона полученного при помощи потока низкотемпературной плазмы, остается открытым.
Целью работы: является синтез сиалона в поле низкотемпературной плазмы с использованием нитридов кремния и алюминия, и разработка технологии материалов на его основе.
Для достижения цели, были поставлены следующие задачи:
1. Анализ особенностей использования энергии низкотемпературной плазмы для синтеза сиалонсодержащей композиции.
2. Термодинамический анализ компонентов участвующих в реакции синтеза сиалона.
3. Разработка технологических режимов по созданию сиалонсодержащих композиций на основе плазменного воздействия на смесь нитридов и оксидов кремния и алюминия.
4.Определение термодинамической стабильности соединений, образующих структуру сиалона на основе кристаллоэнергитической теории разработанной В.В. Зуевым.
5. Исследование структурно-фазовых состояний в сиалонсодержащих композициях, полученных в результате высокоэнтальпийного воздействия плазменного потока на образцы, подготовленные из смеси порошков нитридов и оксидов кремния и алюминия.
6. Разработка состава и технологии изготовления теплопроводного материала на основе сиалона и компонентов MgO, NaF и AI2O3 с углеродными нанотрубками.
7. Теплофизические исследования теплопроводного материала, полученного с использованием 0-SiAlON и углеродных нанотрубок.
Научная новизна
1. Экспериментально установлено, что высокоэнтальпийное плазменное воздействии при удельном тепловом потоке 1,5-106 Вт/м2 на смесь порошков из компонентов в соотношении 0.7 моль AlN, 0.2 моль Si3N4, 0.5 моль H4N2CO и 0.1 моль Na2SiO3 приводит к образованию фазы P-SiAlON с составом S15AION7. Температура образования S15AION7 при плазменном воздействии установлена в диапазоне 1900К-2400К.
2. Установлено, что дополнительный ввод оксида алюминия AhOs в количестве 0.3 моль в многокомпонентную смесь AlN, SisN4, H4N2CO, Na2SiOs при соблюдении соосности плазменной струи с графитовым электродом в плазменном реакторе приводит к образованию фаз P-SiAlON с составом SisAlON7 и 16H-SiAlON составом Si7.6iAl6.39O2.6iN0.39, которая образуется в результате эрозии материала с осаждением конденсированных пластин на стенках реактора.
3. Выявлено, что плазмохимический синтез, проходящий при облучении в азотной газовой атмосфере высокоэнтальпийным плазменным потоком шихты из компонентов (маршалит (SiO2), порошок Al, жидкое стекло (Na2SiOs)), не содержащих связанный азот, приводит к образованию силлиманита состава Al2.2sO4.86 Sio.72 и также показано, что азота в газовой фазе недостаточно в этом процессе для синтеза сиалон.
4. На основе кристаллоэнергетической теории установлен наиболее стабильный политип сиалона 12H-sialon со структурой SiAlsO2Ns (символ Пирсона hp32).
5. Впервые получен теплопроводный материал с использованием сиалона со структурой Si5AlON7 и углеродных нанотрубок для отвода тепла от микросхем. Установлены количественные значения теплопроводности (X) в пределах от 1,099-1,436 Вт/м-K.
Теоретическая значимость работы заключается в установлении зависимостей структурно-фазового состояния сиалонсодержащих композиций, полученных плазмохимическим синтезом, от соотношения нитридов и оксидов кремния и алюминия в исходной шихте. Также, на основе кристаллоэнергитического подхода установлена термодинамическая стабильность сиалонов с разными политипами и с разными кристаллическими сингониями.
Практическая значимость работы:
1. Разработан состав и технология получения сиалонсодержащих композиций на основе взаимодействия высокоэнтальпийного плазменного потока на основе шихты из нитридов и оксидов кремния и алюминия с выходном фазы Si5AlON7 в количестве 52%.
2. Теоретические и экспериментальные данные, полученные при выполнении диссертационной работы, лежат в основе создания нового теплопроводного материала для микросхем с хорошим сочетанием термофизических и механических свойств с использованием Р-сиалона со структурой S15AION7 в смеси состава MgO, NaF и AI2O3.
Методология работы
Методология работы базируется на рабочей гипотезе. Она представляет следующее: синтез сиалонов в поле низкотемпературной плазмы возможен на основе нитридов кремния и алюминия. Корректирующими добавками можно использовать дисперсные порошки алюминия и оксида алюминия вследствие непостоянства газовой среды плазмы по количеству азота и кислорода и вероятности образования расплава оксида кремния с последующим окислением и вхождением в расплав других компонентов.
Методы исследования
Исследования синтезированного материала было произведено на аккредитованном оборудовании. Для получения оптических микрофотографий использовали микроскоп Carl Zeiss Axiovert 40 MAT. Просмотр изображений осуществлялся при помощи Axio Cam MRC5. Результаты СЭМ были получены на микроскопе Quanta 200 3D. Микроскопия осуществляется электронным и ионным пучком. Результаты РФА были изучены при помощи рентгеновских дифрактометров тип ДРОН 3 и Shimadzu XRD 7000S. Излучения дифрактометра ДРОН 3 - Сока, и Сика соответственно у Shimadzu XRD 7000S. Инфракрасная спектроскопия была получена на спектрометре Bruker Tensor 27. Диапазон волновых чисел определяли из соотношения волн используемых компонентов, которые варьировались в диапазоне от 600 до 4000 см-1 . Результаты ДСК и ТГА были получены при нагреве полученного материала от 45 до 1400°С. Нагрев образцов осуществлялся в атмосфере азота при скорости нагрева 15 °С/мин.
Полученные данные коэффициентов температуропроводности анализировали путем построения карты температуропроводности с использованием метода Паркера. Продукт нагревался короткими тепловыми импульсами, генерируемыми ксеноновой импульсной лампой. Температуру образцов регистрировали тепловизионным модулем Flir с частотой записи ИК термограмм 31 Гц. С помощью тепловизионной камеры высокого разрешения FLIRSC7700M в течение нескольких сотен миллисекунд, регистрировались изменения избыточной температуры T на задней поверхности объекта.
Положения, выносимые на защиту
1. Положение о плазмохимическом синтезе 0-сиалона с составом S15AION7 в результате взаимодействия высокоэнтальпийного плазменного потока с нитридом кремния и алюминия, а именно: получение образцов из компонентов AlN, S13N4, что обеспечивает достижение заданного фазового состава продуктов синтеза.
2. Положение о плазмохимическом синтезе 0 -сиалона с составом S15AION7 и 16H - SiAlON в результате взаимодействия высокоэнтальпийного плазменного потока с нитридами и оксидами кремния и алюминия, а именно: получение образцов из компонентов AlN, Si3N4 и AI2O3, что обеспечивает достижение заданного фазового состава продуктов синтеза.
3. Положение о влиянии газовой-азотной среды и воздуха при взаимодействии высокоэнтальпийного плазменного потока на трехкомпонентную смесь из маршалита (S1O2), порошка Al и жидкого стекла (Na2SiO3), что обеспечивает синтез только силиманита, но не позволяет синтезировать сиалоновые фазы.
Высокая достоверность результатов исследований подтверждается современными методами исследования и обработки данных в аккредитованных лабораториях на аккредитованном оборудовании. Экспериментальные и теоретические результаты настоящей работы не противоречат с имеющимися литературными данными, вследствие неоднократного повтора эксперимента и получения минимальной погрешности результата.
Апробация результатов работы
Результаты, описанные в настоящей диссертационной работе, обсуждались на отечественных и международных конференциях начиная с 2019 года. Основные из них это: десятая Международная научно-практическая конференция "Инновационные технологии в машиностроении", Юрга, 2019 год. Восьмая Российско-Казахстанская молодежная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», Барнаул, 2019 год. Международная научно-техническая конференции «Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения», Томск, 2020 год. Пятнадцатая международная конференция "Газоразрядная плазма и ее применение" Екатеринбург, 2021 год. Девятая Международная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «ПРФН», Томск, 2022 год. Шестнадцатая Международная конференция по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы. «Пучковые и плазменные источники», EFRE 2022, Томск. Десятая Российско-Казахстанская молодежная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», Барнаул, 2022 год. Третья Международная конференция «Газоразрядная плазма и синтез наноструктур», Казань, 2022 год. Международная конференции «Физическая мезомеханика», Томск, 2023 год. Девятый Международный конгресс по потокам энергии и радиационным эффектам. Томск 2024 год.
Личный вклад автора заключается в участии и формировании целей и задач диссертационного исследования, проведении подготовительного анализа литературы и проведении экспериментальной работы. Разработка экспериментального реактора для синтеза сиалонсодержащих композиций. Лично была проведена обработка экспериментальных результатов, ознакомление с необходимым для работы лабораторным оборудованием. Автор подтвердил результаты своих исследований на международных конференциях.
Публикации
Согласно результатам диссертационной работы было опубликовано восемнадцать научных работ. Пять работ были опубликованы в журналах, одобренных Высшей аттестационной комиссией, две из которых находятся в базе данных рецензируемых Scopus и Web of Science.
Два патент на изобретение: RU 2798804 от 27.06.2023 «Способ получения порошковой керамики сиалон (SiAlON) с помощью энергии плазмы» RU 2783651 от 15.11.2022 «Способ получения порошковой муллитовой керамики».
Объем диссертационного исследования
Объем диссертационной работы включает пять глав, выводы и заключение, а также имеет библиографический список из 252 наименований. Всего работа включает 156 страниц машинописного текста, включая 45 иллюстраций и 23 таблицы.
Степень разработанности темы исследования
Темпы изучения современных методов синтеза, свойств и практического применения сиалоновых фаз развиваются на протяжении последних 50 лет. Значительный вклад в это научное направление внесли Журавлёва Н.В., Швейкин Г.П., Верещагин В.И., Jack K., Neshpor H.P., Jun Ho Chung, Chen Z.Y, Asaka T., Banno H. и Cao G. Z. Необходимо отметить большой вклад по исследованию термодинамических свойств сиалона Заболотского А.В., Суворова С.А. Широко распространёнными методами получения сиалона являются самораспространяющейся высокотемпературный синтез и искровое плазменное спекание работах Волокитина Г.Г., Аньшакова А.С. разработана концепция и практически использовано применение энергии высокоэнтальпийной термической плазмы для создания высокотемпературных материалов разной природы.
Таким образом, имеется широкий спектр работ в области получения и изучения сиалонсодержащих материалов с использованием различных традиционных источников, в основе которых лежат высокотемпературные поля до значений 2000 - 2300 °С. В тоже время, известны технологии по созданию высокотемпературных полей выше 3000 °C. Однако научных публикаций в области изучения 0-сиалона при синтезировании его потоками низкотемпературной плазмы согласно литературному анализу, не имеется. Вопрос синтеза 0-сиалона полученного при помощи потока низкотемпературной плазмы, остается открытым.
Целью работы: является синтез сиалона в поле низкотемпературной плазмы с использованием нитридов кремния и алюминия, и разработка технологии материалов на его основе.
Для достижения цели, были поставлены следующие задачи:
1. Анализ особенностей использования энергии низкотемпературной плазмы для синтеза сиалонсодержащей композиции.
2. Термодинамический анализ компонентов участвующих в реакции синтеза сиалона.
3. Разработка технологических режимов по созданию сиалонсодержащих композиций на основе плазменного воздействия на смесь нитридов и оксидов кремния и алюминия.
4.Определение термодинамической стабильности соединений, образующих структуру сиалона на основе кристаллоэнергитической теории разработанной В.В. Зуевым.
5. Исследование структурно-фазовых состояний в сиалонсодержащих композициях, полученных в результате высокоэнтальпийного воздействия плазменного потока на образцы, подготовленные из смеси порошков нитридов и оксидов кремния и алюминия.
6. Разработка состава и технологии изготовления теплопроводного материала на основе сиалона и компонентов MgO, NaF и AI2O3 с углеродными нанотрубками.
7. Теплофизические исследования теплопроводного материала, полученного с использованием 0-SiAlON и углеродных нанотрубок.
Научная новизна
1. Экспериментально установлено, что высокоэнтальпийное плазменное воздействии при удельном тепловом потоке 1,5-106 Вт/м2 на смесь порошков из компонентов в соотношении 0.7 моль AlN, 0.2 моль Si3N4, 0.5 моль H4N2CO и 0.1 моль Na2SiO3 приводит к образованию фазы P-SiAlON с составом S15AION7. Температура образования S15AION7 при плазменном воздействии установлена в диапазоне 1900К-2400К.
2. Установлено, что дополнительный ввод оксида алюминия AhOs в количестве 0.3 моль в многокомпонентную смесь AlN, SisN4, H4N2CO, Na2SiOs при соблюдении соосности плазменной струи с графитовым электродом в плазменном реакторе приводит к образованию фаз P-SiAlON с составом SisAlON7 и 16H-SiAlON составом Si7.6iAl6.39O2.6iN0.39, которая образуется в результате эрозии материала с осаждением конденсированных пластин на стенках реактора.
3. Выявлено, что плазмохимический синтез, проходящий при облучении в азотной газовой атмосфере высокоэнтальпийным плазменным потоком шихты из компонентов (маршалит (SiO2), порошок Al, жидкое стекло (Na2SiOs)), не содержащих связанный азот, приводит к образованию силлиманита состава Al2.2sO4.86 Sio.72 и также показано, что азота в газовой фазе недостаточно в этом процессе для синтеза сиалон.
4. На основе кристаллоэнергетической теории установлен наиболее стабильный политип сиалона 12H-sialon со структурой SiAlsO2Ns (символ Пирсона hp32).
5. Впервые получен теплопроводный материал с использованием сиалона со структурой Si5AlON7 и углеродных нанотрубок для отвода тепла от микросхем. Установлены количественные значения теплопроводности (X) в пределах от 1,099-1,436 Вт/м-K.
Теоретическая значимость работы заключается в установлении зависимостей структурно-фазового состояния сиалонсодержащих композиций, полученных плазмохимическим синтезом, от соотношения нитридов и оксидов кремния и алюминия в исходной шихте. Также, на основе кристаллоэнергитического подхода установлена термодинамическая стабильность сиалонов с разными политипами и с разными кристаллическими сингониями.
Практическая значимость работы:
1. Разработан состав и технология получения сиалонсодержащих композиций на основе взаимодействия высокоэнтальпийного плазменного потока на основе шихты из нитридов и оксидов кремния и алюминия с выходном фазы Si5AlON7 в количестве 52%.
2. Теоретические и экспериментальные данные, полученные при выполнении диссертационной работы, лежат в основе создания нового теплопроводного материала для микросхем с хорошим сочетанием термофизических и механических свойств с использованием Р-сиалона со структурой S15AION7 в смеси состава MgO, NaF и AI2O3.
Методология работы
Методология работы базируется на рабочей гипотезе. Она представляет следующее: синтез сиалонов в поле низкотемпературной плазмы возможен на основе нитридов кремния и алюминия. Корректирующими добавками можно использовать дисперсные порошки алюминия и оксида алюминия вследствие непостоянства газовой среды плазмы по количеству азота и кислорода и вероятности образования расплава оксида кремния с последующим окислением и вхождением в расплав других компонентов.
Методы исследования
Исследования синтезированного материала было произведено на аккредитованном оборудовании. Для получения оптических микрофотографий использовали микроскоп Carl Zeiss Axiovert 40 MAT. Просмотр изображений осуществлялся при помощи Axio Cam MRC5. Результаты СЭМ были получены на микроскопе Quanta 200 3D. Микроскопия осуществляется электронным и ионным пучком. Результаты РФА были изучены при помощи рентгеновских дифрактометров тип ДРОН 3 и Shimadzu XRD 7000S. Излучения дифрактометра ДРОН 3 - Сока, и Сика соответственно у Shimadzu XRD 7000S. Инфракрасная спектроскопия была получена на спектрометре Bruker Tensor 27. Диапазон волновых чисел определяли из соотношения волн используемых компонентов, которые варьировались в диапазоне от 600 до 4000 см-1 . Результаты ДСК и ТГА были получены при нагреве полученного материала от 45 до 1400°С. Нагрев образцов осуществлялся в атмосфере азота при скорости нагрева 15 °С/мин.
Полученные данные коэффициентов температуропроводности анализировали путем построения карты температуропроводности с использованием метода Паркера. Продукт нагревался короткими тепловыми импульсами, генерируемыми ксеноновой импульсной лампой. Температуру образцов регистрировали тепловизионным модулем Flir с частотой записи ИК термограмм 31 Гц. С помощью тепловизионной камеры высокого разрешения FLIRSC7700M в течение нескольких сотен миллисекунд, регистрировались изменения избыточной температуры T на задней поверхности объекта.
Положения, выносимые на защиту
1. Положение о плазмохимическом синтезе 0-сиалона с составом S15AION7 в результате взаимодействия высокоэнтальпийного плазменного потока с нитридом кремния и алюминия, а именно: получение образцов из компонентов AlN, S13N4, что обеспечивает достижение заданного фазового состава продуктов синтеза.
2. Положение о плазмохимическом синтезе 0 -сиалона с составом S15AION7 и 16H - SiAlON в результате взаимодействия высокоэнтальпийного плазменного потока с нитридами и оксидами кремния и алюминия, а именно: получение образцов из компонентов AlN, Si3N4 и AI2O3, что обеспечивает достижение заданного фазового состава продуктов синтеза.
3. Положение о влиянии газовой-азотной среды и воздуха при взаимодействии высокоэнтальпийного плазменного потока на трехкомпонентную смесь из маршалита (S1O2), порошка Al и жидкого стекла (Na2SiO3), что обеспечивает синтез только силиманита, но не позволяет синтезировать сиалоновые фазы.
Высокая достоверность результатов исследований подтверждается современными методами исследования и обработки данных в аккредитованных лабораториях на аккредитованном оборудовании. Экспериментальные и теоретические результаты настоящей работы не противоречат с имеющимися литературными данными, вследствие неоднократного повтора эксперимента и получения минимальной погрешности результата.
Апробация результатов работы
Результаты, описанные в настоящей диссертационной работе, обсуждались на отечественных и международных конференциях начиная с 2019 года. Основные из них это: десятая Международная научно-практическая конференция "Инновационные технологии в машиностроении", Юрга, 2019 год. Восьмая Российско-Казахстанская молодежная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», Барнаул, 2019 год. Международная научно-техническая конференции «Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения», Томск, 2020 год. Пятнадцатая международная конференция "Газоразрядная плазма и ее применение" Екатеринбург, 2021 год. Девятая Международная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «ПРФН», Томск, 2022 год. Шестнадцатая Международная конференция по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы. «Пучковые и плазменные источники», EFRE 2022, Томск. Десятая Российско-Казахстанская молодежная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», Барнаул, 2022 год. Третья Международная конференция «Газоразрядная плазма и синтез наноструктур», Казань, 2022 год. Международная конференции «Физическая мезомеханика», Томск, 2023 год. Девятый Международный конгресс по потокам энергии и радиационным эффектам. Томск 2024 год.
Личный вклад автора заключается в участии и формировании целей и задач диссертационного исследования, проведении подготовительного анализа литературы и проведении экспериментальной работы. Разработка экспериментального реактора для синтеза сиалонсодержащих композиций. Лично была проведена обработка экспериментальных результатов, ознакомление с необходимым для работы лабораторным оборудованием. Автор подтвердил результаты своих исследований на международных конференциях.
Публикации
Согласно результатам диссертационной работы было опубликовано восемнадцать научных работ. Пять работ были опубликованы в журналах, одобренных Высшей аттестационной комиссией, две из которых находятся в базе данных рецензируемых Scopus и Web of Science.
Два патент на изобретение: RU 2798804 от 27.06.2023 «Способ получения порошковой керамики сиалон (SiAlON) с помощью энергии плазмы» RU 2783651 от 15.11.2022 «Способ получения порошковой муллитовой керамики».
Объем диссертационного исследования
Объем диссертационной работы включает пять глав, выводы и заключение, а также имеет библиографический список из 252 наименований. Всего работа включает 156 страниц машинописного текста, включая 45 иллюстраций и 23 таблицы.
Основные научные результаты работы представлены в выводах:
1. Синтез Р-SiAlON с составом Si5AlON? протекает в результате взаимодействия высокоэнтальпийного плазменного потока на смесь из компонентов в AlN, Si3N4, H4N2CO и Na2SiO3.
2. Воздействие плазменного потока на образцы, содержащие соединения Si3N4, AlN, H4N2CO, AI2O3, Na2SiO3, приводит к образованию сиалоновых фаз 0- Si5AlON7 и 16H-SiAlON.
3. Воздействие высокоэнтальпийным плазменным потоком в азотной газовой атмосфере на шихту из компонентов SiO2, Al, Na2SiO3, H4N2CO, не содержащих связанный азот, приводит к образованию силлиманита со структурой Al2O5Si.
4. В соответствии с кристалоэнергетической теории установлено, что в
четырехкомпонентной системе Al-0-N-Si среди всех рассматриваемых соединений на основе SiAlON, наибольшей термодинамической стабильностью обладает соединение 12H-SiAlON со структурой S1AI4O2N4 (символ Пирсона hP32).
5. Моделирование при помощи программы TERRA показывает существования температурных областей образования конденсированных и газообразных состояний при разложении смесей из соединений AlN, Si3N4, H4N2CO и Na2SiO3.
6. Оптимальные режимы получения сиалона и силлиманита при плазменном воздействии на образцы из смеси порошков нитрида и оксидсодержащих компонентов установлены в диапазоне 1.5-2.4 Вт/м2. Для сиалона - P=30 кВт, t=120 с;. для силлиманита - P= 25кВт, t=60 c.
7. Получен теплопроводный материал для отвода тепла от микросхем с использованием порошка, содержащего 52% P-Si5AlON? в количестве 7% и с содержанием 3% углеродных нанотрубок.
Перспективы дальнейших исследований заключаются в использовании в качестве высокоэнергетических воздействий разной природы (лазерное излучение и электронно-импульсный пучок) для синтеза сиалносодержащего
материала на основе нитрида кремния и алюминия
1. Синтез Р-SiAlON с составом Si5AlON? протекает в результате взаимодействия высокоэнтальпийного плазменного потока на смесь из компонентов в AlN, Si3N4, H4N2CO и Na2SiO3.
2. Воздействие плазменного потока на образцы, содержащие соединения Si3N4, AlN, H4N2CO, AI2O3, Na2SiO3, приводит к образованию сиалоновых фаз 0- Si5AlON7 и 16H-SiAlON.
3. Воздействие высокоэнтальпийным плазменным потоком в азотной газовой атмосфере на шихту из компонентов SiO2, Al, Na2SiO3, H4N2CO, не содержащих связанный азот, приводит к образованию силлиманита со структурой Al2O5Si.
4. В соответствии с кристалоэнергетической теории установлено, что в
четырехкомпонентной системе Al-0-N-Si среди всех рассматриваемых соединений на основе SiAlON, наибольшей термодинамической стабильностью обладает соединение 12H-SiAlON со структурой S1AI4O2N4 (символ Пирсона hP32).
5. Моделирование при помощи программы TERRA показывает существования температурных областей образования конденсированных и газообразных состояний при разложении смесей из соединений AlN, Si3N4, H4N2CO и Na2SiO3.
6. Оптимальные режимы получения сиалона и силлиманита при плазменном воздействии на образцы из смеси порошков нитрида и оксидсодержащих компонентов установлены в диапазоне 1.5-2.4 Вт/м2. Для сиалона - P=30 кВт, t=120 с;. для силлиманита - P= 25кВт, t=60 c.
7. Получен теплопроводный материал для отвода тепла от микросхем с использованием порошка, содержащего 52% P-Si5AlON? в количестве 7% и с содержанием 3% углеродных нанотрубок.
Перспективы дальнейших исследований заключаются в использовании в качестве высокоэнергетических воздействий разной природы (лазерное излучение и электронно-импульсный пучок) для синтеза сиалносодержащего
материала на основе нитрида кремния и алюминия
