Теплофизические, термостойкие, химические и механические свойства новых нано- и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалов. Метод получения нано- и ультраструктурированных керамокомпозиционных изделий на основе нитрида и карбонитрида кремния.
Аннотация к работе
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наукРабота выполнена в Институте физико-технических проблем и материаловедения Национальной Академии наук Кыргызской республики. Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Макаров В.П. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Шаршеев К.Ш. доктор физико-математических наук, профессор Шульгин Б.В. доктор физико-математических наук, профессор Ташполотов Ы.Т. Ведущая организация: Учреждение Российской Академии Наук, Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001 г.Уфа, ул.С развитием техники и новых технологий в различных отраслях промышленности возникает необходимость значительного повышения термоустойчивости эксплуатационных (физико-химических и термостойкостных) свойств существующих керамических материалов способных работать в более жестких и агрессивных условиях. Знание о физических процессах формирования структуры и особенностях свойств нано-и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалов является неотъемлемой составляющей общей проблемы создания наноматериалов, а также составляет основу при разработке рациональных технологий их получения, направленного регулирования физико-механическими и эксплуатационными свойствами. В настоящей диссертационной работе преследовались две цели: научно-исследовательская: изучить закономерности и механизмы структуро-и фазообразования НУКМ в процессе реакционного спекания нано-и ультрадисперсных шламовых порошков кремния в среде азота и исследовать их физико-химические, механические и термостойкие свойства; научно-практическая: на основе современных экспериментальных и физических методов исследования формирования структуры и свойств, разработать метод получения керамокомпозиционных материалов с формированием в них нано-и ультранитевидных кристаллов нитрида и карбонитрида кремния, обладающих высокими физико-механическими и термостойкими свойствами. Изучены теплофизические, термостойкие, химические и физико-механические свойства новых нано-и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалов, а также выявлены причинно-следственные связи структуры и свойств НУКМ.На рис.1.а представлены результаты гранулометрического анализа размеров и фракционного состава частиц кремния в исходном состоянии поставки. На рис.1.б. представлена отдельная агломерация частиц кремния, имеющая размеры около 1 мкм после помола в шаровой мельнице в течение 52 ч. а б Подавляющее большинство частиц шлама имеют размеры менее 500 мкм в форме окатышей, состоящих из тонкодисперсных осколочно-стружечных частиц кремния. До 50% (вес.) кремния составляет фракция от 500 - 250 мкм; 30% составляет фракция от 250 до 100 мкм, остальная часть кремния имеет размеры менее 100 мкм. Изучена общая кристаллографическая структура и дана характеристика двум модификациям a-и b-фазы нитрида кремния, представляющим собой двухкомпонентные системы из ковалентно-связанных атомов кремния и азота с гексагональной плотноупакованной решеткой, относящимся к пространственной группе симметрии Р3с и Р63/m соответственно.Установлены закономерности структуро-и фазообразования реакционно-спеченных НУКМ в различных термодинамических условиях реакционного спекания и выявлена связь структуры и свойств НУКМ. Установлено, что реакционно-спеченный НУКМ, синтезированный при температуре спекания Т=1320ОС (режим I ): · формируется из нано-и ультраструктурированных нитевидных кристаллов нитрида кремния ?-Si3N4 и карбонитрида кремния ??-Si3(CXNY)4 высокотемпературной модификации, которая обеспечивает НУКМ высокие значения термостойкости, химической устойчивости и физико-механических свойств.
План
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Вывод
1. Установлены закономерности структуро- и фазообразования реакционно-спеченных НУКМ в различных термодинамических условиях реакционного спекания и выявлена связь структуры и свойств НУКМ.
2. Установлено, что реакционно-спеченный НУКМ, синтезированный при температуре спекания Т=1320ОС (режим I ): · формируется из нано- и ультраструктурированных нитевидных кристаллов нитрида кремния ?-Si3N4 и карбонитрида кремния ??-Si3(CXNY)4 высокотемпературной модификации, которая обеспечивает НУКМ высокие значения термостойкости, химической устойчивости и физико-механических свойств.
· на 15-20% состоит из нитевидных нанокристаллов нитрида и нестехиометрического карбонитрида кремния, а остальная часть (80-85%) нитевидных кристаллов соответствует среднему и верхнему ультрадисперсному диапазону размеров;
· по величине пористости на 8-10% больше чем у классического реакционно-спеченного нитрида кремния;
· обладает большим ресурсом термической стойкости при температуре 1650ОС на открытом воздухе, высокой химической устойчивостью к кислотам, включая плавиковую кислоту, умеренной устойчивостью в расплавленном стекле и шамоте;
· хорошо поддается механической обработке алмазным режущим инструментом;
· прочность на сжатие у реакционно-спеченных НУКМ в 1,5-2 раза выше, чем у классических реакционно-спеченных нитридокремниевых материалов, несмотря на то, что пористость у НУКМ на 8-10% больше, чем у классических.
3. На основе результатов структурных исследований предложена модель эволюционного формирования структуры с образованием прочного нитридокремниевого каркаса в виде «леса» нано- и ультранитевидных кристаллов в межчастичных поровых пространствах микроструктуры НУКМ, что объясняет отсутствие усадки, повышенные термостойкость и физико-механические свойства реакционно-спеченных изделий НУКМ.
4. На основе комплексных физических методов исследований формирования структуры и свойств НУКМ внесена корректировка в метод их получения.
5. Разработаны опытно-промышленные керамические изделия в виде чехлов термопар, болтов, тиглей, стаканов и др., которые применяются в промышленном секторе экономики Кыргызской республики и зарубежья.
Список литературы
1. Andrievskii, R.A. Model Sintering Investigation of Sferical HSS Powders / R.A. Andrievskii, N.K. Kasmamytov // Magazine: Powder Metal International. - Germany, 1993. - V.25, №6. - Р.275-279.
2. Касмамытов, Н.К. Нитридокремниевая керамика, полученная из отходов кремниевого производства Кыргызской республики / Н.К.Касмамытов, В.П.Макаров, Б.У.Асанов // V- Межд. конф. «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование»: сб. науч. тр. - Алматы , 2007. - С. 171-172.
3. Касмамытов, Н.К. Теплофизические свойства карбонитридной керамики / Н.К.Касмамытов, В.П.Макаров, В.Ж. Мураталиева // V- Международная конференция «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование»: сб.науч. тр. - Казахстан, Алматы, 9-12 октября, 2007.- С. 149-152.
4. Kasmamytov, N.K. Special features of thermodynamic disintegration of the ceramic formulation on the basis of Si3N4 doped SIC / N.K Kasmamytov, V.P Makarov, V.J Muratalieva // Х - International Conference on the Problems of Solvation and Complex Formation in Solutions: Suzdal, July 1-6, 2007.-
P. 4/S - 482.
5. Макаров, В.П. Особенности насыщения и термодинамический анализ композиционных материалов на основе нитрида кремния / В.П. Макаров, Н.К. Касмамытов, А. Абдылдаев // Межд. конференция «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования»: сб.науч.тр. - Санкт-Петербург, 2007.- т.2 . - С.209-212.
6. Касмамытов, Н.К. Возможности вторичного использования кремниевых отходов / Н.К. Касмамытов, В.П. Макаров, Н.В. Гудимов // Сб. тез. докл. Иссык-Кульской международной летней школы. - 2008.- С. 82-83.
7. Касмамытов, Н.К., Структурные и физико-химические свойства отходов полупроводникового производства кремния / Н.К.Касмамытов, Н.В.Гудимов, В.П.Макаров // Сб. тез. докл. Международной Иссык-Кульской летней школы, - 2008. - С. 84.
8. Касмамытов, Н.К. Морфология и технологические свойства шламовых отходов кремния / Н.К.Касмамытов // Вестник КРСУ. - 2009. - т.9. - №11.- С.157-161.
9. Касмамытов, Н.К. Особенности технологии получения нано- и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалов на основе шламовых отходов кремния / Н.К. Касмамытов // Известия НАН КР, Бишкек. - 2009. - №1. - С.57 - 68.
10. Касмамытов, Н.К. Перспективность утилизации шламовых отходов кремния / Н.К. Касмамытов, В.П. Макаров // Международная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения академика Х.А.Рахматуллина: сб.науч.тр. - Бишкек, 2009. - С.283-286.
11.Касмамытов, Н.К. Перспективные материалы и технологии их получения на базе местного сырья / Н.К. Касмамытов, К.Х. Хайдаров // Спец. Выпуск, Известия НАН КР, посвященный 55 летию НАН КР- Бишкек. Илим. - 2009. - С.33-38.
12.Касмамытов, Н.К. Структурообразование наноструктурированных керамокомпозиционных материалов / Н.К. Касмамытов // Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития научно-инновационной деятельности»: сб.науч.тр.- Бишкек, 2009.- С.26-27.
13.Касмамытов, Н.К. Наноструктурированные керамокомпозиционные материалы на основе нитрида кремния / Н.К. Касмамытов, В.П. Макаров // труды III - Всеросийская конференция по наноматериалам НАНО-2009, Екатеринбург. - 2009. - С.200 -201.
14.Касмамытов, Н.К. Получение шликера на основе ультрадисперсных шламовых отходов кремния / Н.К.Касмамытов, В.П Макаров, Н.В.Гудимов , А.Ж.Жангараев // Бишкек: Наука и новые технологии. - 2009. - №6.- С.22-26.
15.Касмамытов, Н.К. Синтез керамокомпозиционных материалов с ультракристаллической структурой /Н.К.Касмамытов, В.П.Макаров //Физика и химия наноматериалов, Международная школа-конференция молодых ученых: сб.науч.тр.- Томск. - 2009. - С.69-72.
16.Касмамытов, Н.К. Рентгеноструктурные исследования реакционно-спеченных керамокомпозиционных материалов /Н.К.Касмамытов, В.Ж.Мураталиева // Известия Кыргызского государственного технического университета. - Бишкек, 2009. - №17. - С.271-275.
17.Касмамытов, Н.К. Способ изготовления керамокомпозиционных изделий из отходов кремния / Н.К.Касмамытов, В.П.Макаров , К.Р.Курбанов // Кыргызпатент KG 1203 C1 ( С04В 35/58), 2009, - 4с.
18.Касмамытов, Н.К. Возможности утилизации шламовых отходов кремния методом порошковой металлургии / Н.К.Касмамытов, В.П.Макаров // Вестник КРСУ. - Бишкек, 2009.- т.9, №11.- С.161-165.
19.Касмамытов, Н.К. Рентгеноструктурные и рентгенофазовые исследования реакционно-спеченных керамокомпозиционных материалов. /Н.К.Касмамытов, В.Ж.Мураталиева // Международная конф., посвященная 55-летию КГТУ: сб.науч.тр.- Бишкек, 2009.- С.83-84.
20.Касмамытов, Н.К. Исследование низкотемпературной теплоемкости керамокомпозиционного материала на основе шламовых отходов кремния. /Н.К.Касмамытов, К.А.Ласанху, Т.Ш. Джунушалиева // Известия КГТУ. - Бишкек, 2009. -№17.- С.75-79.
21.Касмамытов, Н.К. Технологические режимы выпарки пластификатора из шликерных керамокомпозиционных изделий /Н.К.Касмамытов, Н.В.Гудимов, А.Ж.Жангараев // Наука и новые технологии.- Бишкек, 2009. - №6. - С.7-10.
22.Касмамытов, Н.К. Технология синтеза нано- и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалов / Н.К.Касмамытов // Открытая школа конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурированные материалы»: сб.науч.тр. - Россия, Уфа, 11-15 октября. - 2010.- С.137-138.
23.Касмамытов, Н.К. Микрорентгеноспектральные исследования керамокомпозиционных материалов /Н.К.Касмамытов // Ежемесячный журнал.- Бишкек, Вестник КРСУ, №5, т. 10. 2010. - С.116-122.
24.Касмамытов, Н.К. Размеры нано- и ультранитевидных кристаллов в реакционно-спеченных керамокомпозиционных материалах / Н.К. Касмамытов, В.П. Макаров, Н.В. Гудимов // Научный журнал ИФТПИМ НАН КР Физика. - Бишкек -№1.- 2010.- С.91-96.
25.Касмамытов, Н.К. Особенности поровой структуры в нано- и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалах / Н.К. Касмамытов, С.В. Макарова , А.Ж. Жангараев // Научный журнал ИФТПИМ НАН КР Физика.- Бишкек.- №1, 2010.- С.91-96.
26.Касмамытов, Н.К. Особенности формирования структуры нано- и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалов / Н.К. Касмамытов // Сб. тр.: Открытой школы-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурированные материалы», Россия, г. Уфа, 11-15 октября. - 2010.- С.45.
27.Касмамытов, Н.К. Синтез, структура и свойства нано- и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалов на основе нитрида кремния / Н.К. Касмамытов // Каракол ИГУ, Вестник Иссык-Кульского университета. - 2010. -№27.- С. 127-129.
28.Касмамытов, Н.К. Особенности синтеза нано- и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалов на основе шламовых отходов кремния / Н.К. Касмамытов // Бишкек: Научный журнал Физика ИФТПИМ НАН КР. - 2010.- №1.- С.95-100.
29.Касмамытов, Н.К. Теплоемкость реакционно-спеченных нано- и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалов / Н.К. Касмамытов, К.А. Ласанху // Бишкек: Научный журнал Физика ИФТПИМ НАН КР.- 2010. - №1.- С.100-105.
30.Касмамытов, Н.К. Утилизация отходов кремниевого производства: технология, керамика, структура, свойства и применение / Н.К.Касмамытов. - Бишкек: Изд-во «Белек Принт», 2010. - 236 с.
31.Касмамытов, Н.К. Реакционный синтез и физико-механические свойства нано- и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалов / Н.К. Касмамытов, В.П.Макаров // IV - Всероссийская конференция по наноматериалам НАНО-2011: Сб. трудов - Москва, НИИЧЕРМЕТ 3-6 марта. - 2011.- С.200 -201.
32.Касмамытов, Н.К. Разработка технологии керамокомпозиционного материала на основе шламовых отходов кремния /Н.К. Касмамытов // Ежегодник НАН Кыргызской республики. - 2011.- С. 23-27.
33.Касмамытов, Н.К. Особенности структурообразования нано- и ультрадисперсных керамокомпозиционных материалов на основе шламовых отходов кремниевого производства /Н.К. Касмамытов // Российский научный журнал: «Перспективные материалы».- спец. Выпуск, июнь, 2011.- №12. - С. 92 - 97.
34.Касмамытов, Н.К. Реакционное спекание и свойства нано и ультраструктурированных керамокомпозиционных материалов / Н.К. Касмамытов // Российский научный журнал: «Перспективные материалы». - спец. выпуск, июнь, 2011.- № 12 - С. 118 -123.
35.Касмамытов, Н.К.. Формирование структуры керамики на основе высокотемпературной модификации нитрида и карбонитрида кремния /Н.К.Касмамытов, В.П.Макаров, Н.В.Гудимов // Республиканский научно-технический журнал: Известия ВУЗОВ, Бишкек. - 2011.- №1. - С. 10-15.
36.Касмамытов, Н.К. Синтез и эксплуатационные свойства керамических материалов, полученных из шламовых отходов кремния / Н.К. Касмамытов// Бишкек: Научный журнал Физика ИФТПИМ НАН КР. - 2011.- №3. - С.
37.Макаров, В.П. Перспективы развития в Кыргызстане нитридокремниевой керамики / В.П. Макаров, Н.К. Касмамытов // Бишкек: Научный журнал Физика ИФТП и М НАН КР. - 2011.- №3. - С.
38.Касмамытов, Н.К. Механизмы и процессы, протекающие при реакционном спекании шламовых отходов кремния в среде азота Н.К.Касмамытов // Научный журнал Физика ИФТПИМ НАН КР 2011 №3. С.
39.Касмамытов, Н.К. Влияние концентрированных кислот и щелочей на реакционно-спеченные керамокомпозиционные материалы. / Н.К. Касмамытов, К.А. Ласанху // Сб. трудов Международной конференции Рахматуллинские чтения, КГУСТА . - Бишкек. - 2011. - С.165-167.
40.Касмамытов, Н.К. Структурообразование керамокомпозиционного материала на основе нитрида кремния / Н.К.Касмамытов. - Бишкек, изд-во Кыргызско - Российского Славянского Университета, 2011. - 90 с.