СИНТЕЗ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ МЕТОДОМ СВС-АЗ

Для получения нано- и микропорошков нитрида алюминия эффективно использовать азидную технологию СВС (СВС-Аз). Эта технология основана на использовании в процессах СВС азида натрия NaN₃ в качестве твердого азотирующего реагента и галоидных солей [1].

Азид натрия производится в промышленном масштабе, так как является невзрывчатым, нелетучим и негигроскопичным.

Схема реакции: Na₃AlF₆ + 3NaN₃ → 6NaF + AlN + 4N₂

Конечными продуктами реакции являются: нитрид алюминия, состоящий из равноосных частиц неправильной формы и гексафторалюминат натрия. [2]

Нитрид алюминия состоит из микро- и наноразмерных частиц (от 50 до 100 нм.).

Во время процесса горения порошок азида натрия разлагается на металлический натрий и азот с большим содержанием активного атомарного азота, что упрощает азотирование:

NaN₃ → Na + N₂ + N.

Чистый натрий является пожароопасным, поэтому чтобы не произошло возгорание порошка после реакции, в исходную смесь добавляют галоидную соль. Она связывает натрий в нейтральную галоидную соль.

Технологический процесс СВС–Аз представляет собой 4 этапа:

1. подготовка компонентов шихты. Производится недолгое измельчение азида натрия и галоидной соли в барабанной шаровой или планетарной мельнице. Известно, что с помощью процесса СВС-Аз нельзя проазотировать частицы металлов на всю глубину размером более 80 мкм.
2. смешивание исходных компонентов. Проводится так же в барабанной шаровой мельнице. Компоненты исходной смеси должны быть в стехиометрическом соотношении.
3.  синтеза в реакторе СВС–Аз. Полученная смесь загружается в насыпном виде в реактор СВС–Аз и размещается в фильтрующей сборке. Фильтрующая сборка уменьшает скачок давления при синтезе и теплоотвод от поверхностных слоев реагирующей смеси.
4. промывки готового продукта. Производится для отделения солей от целевого продукта. После фильтрации на фильтровальной бумаге и отжима порошок подвергают сушке на воздухе. [1]

Перед синтезом снаряженный реактор вакуумируется, затем промывается азотом, снова вакуумируется и заполняется азотом до необходимого начального рабочего давления 2-5 МПа. Процесс горения производят с помощью раскаленной вольфрамовой спирали. В это время идет повышение давления в реакторе. Для того, чтобы сбросить давление до начального значения приоткрывают вентиль сброса газа.

В результате синтеза конечный продукт представляет собой рыхлый и очень хрупкий спек – продуктов сгорания. Его осторожно отчищают от поверхностного слоя. Дальше подвергают измельчению в агатовой ступке. После этого порошок исследуют с помощью рентгенофазового анализа.

Рисунок 1. Рентгенограмма полученного порошка AlN.

На рентгенограмме помимо нитрида алюминия AlN, также присутствует пики от непрореагирующего гексафторалюмината натрия Na₃AlF₆.

Фазовый состав продуктов горения представляет собой смесь нитрида алюминия (65 %) и гексафторалюмината натрия (35 %). [2]

Рисунок 2. Морфология частиц продуктов горения смеси «Na₃AlF₆ + 3NaN₃»

Промышленный реактор СВС–Аз может проводить два синтеза в смену с суммарным выходом готового продукта до 3 кг.

Таблица 1.

Характеристика порошка AlN марки СВС-Аз

К недостаткам СВС - Аз относят:

1. Высокую токсичность азида натрия;
2. Более высокая стоимость NaN₃ по сравнению с газообразным азотом;
3. Загрязнение продуктов синтеза солями фторидов или хлоридов. Для того чтобы отделить данные загрязнения от порошка требуется промывка, которая может привести к ухудшению качества продукта.

Применение нитрида алюминия марки СВС – Аз разнообразно.

Например, из AlN можно получить высокотемпературную диэлектрическую керамику для теплоотводящих подложек микросхем в электронных приборах с очень высоким значением коэффициента теплопроводности до 200 Вт/(м×К).

Порошки AlN применяются как теплопроводный наполнитель кремнийорганического клея-герметика "Эластосил 137-172". Этот клей используется в электронном машиностроении.

Так же кристаллы AlN используются в качестве армирующих наполнителей для композиционных материалов.

Таким образом, в данной работе было показано, что азидная технология СВС - Аз позволяет получать микро- и нанопорошки нитрида алюминия высокого качества. Такие порошки имеют большие области применения, в том числе их можно применять для изготовления наноматериалов.

Список литературы:

1. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспрастраняющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учебное пособие - М.: Машиностроение–1, 2007. — 567 с.
2. Ю.В. Титова, А.П. Амосов, Д.А. Майдан, И.Ю. Тимошкин, А.В. Шоломова. Алюмоматричные композиты, армированные наночастицами AlN марки СВС – Аз // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 19, № 1(3), 2017.