Исследование параметров горения, фазового состава, структуры и свойств полученных СВС-порошков в системе Hf-Mo-Si-B | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 5 февраля, печатный экземпляр отправим 9 февраля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №12 (302) март 2020 г.

Дата публикации: 17.03.2020

Статья просмотрена: 28 раз

Библиографическое описание:

Дорохов, А. А. Исследование параметров горения, фазового состава, структуры и свойств полученных СВС-порошков в системе Hf-Mo-Si-B / А. А. Дорохов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 12 (302). — С. 21-25. — URL: https://moluch.ru/archive/302/68157/ (дата обращения: 28.01.2022).



Потребность в высокотемпературных материалах, способных работать без или с ограниченным окислением или абляцией при высоких температурах привела к развитию производства тугоплавкой керамики. Области применения такой керамики охватывают широкий круг потребностей, возникающих в пределах промышленных, аэрокосмических и военных проектов.

В группу тугоплавкой керамики входят бориды, карбиды и нитриды, которые характеризуются высокими температурами плавления, химической инертностью и относительно хорошей стойкостью к окислению в экстремальных условиях, испытываемых, к примеру, при входе в атмосферу.

Основная часть боридов устойчива против действия кислот, но при этом они разлагаются расплавленными щелочами и карбонатами. Бориды значительно чувствительны к окисляющим средам, и диапазоне температура в 800–1200 °С подвергаются заметному окислению.

Среди тугоплавких керамик более устойчивы к окислению в экстремальных условиях бориды гафния и циркония [1,2]. Помимо этого, среди других керамик эти бориды обладают теплопроводностью, делает их стойкими к термоудару [3].

Данная работа основывается на использовании метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) по схеме магнийтермического восстановления были получены керамические порошки на основе HfB2–HfSi2–MoSi2.

В таблице 1 приведены исходные составы смесей, также равновесный состав продуктов синтеза, выход продукта и параметры горения.

Таблица 1

№ состава

Содержание исходных компонентов в смеси, %

Тгад,

К

Uгm,

г/с

Равновесный состав продуктов синтеза, %

η, %

SiO2

HfO2

MoO3

B2O3

Mg

HfB2

MoSi2

Si

HfO2

Mg

MgO

1

16,2

29,9

5,5

10,3

38,1

2119

9,3

14

4

11

-

-

71

31

2

23,0

30,5

6,4

2,7

37,4

1750

8,4

8

6

8

23

11

44

34

Исходные составы реакционных смесей были подобраны таким образом, чтобы в процессе горения обеспечивалось формирование двух различных по количественному содержанию фаз составов. Основой фазового состава продуктов синтеза в 1-м случае (состав № 1) должен был являться HfB2, а во 2-м случае (состав № 2) силицид гафния HfSi2. Именно поэтому в реакционной смеси состава № 1 присутствует наибольшее количество оксида бора B2O3.

Рассчитанный при адиабатической температуре горения равновесный состав продуктов синтеза включает целевые фазы HfB2, MoSi2, и некоторое количество свободного Si, а также шлаковую фазу MgO. В равновесном составе продуктов синтеза для реакционной смеси состава № 2 присутствуют фазы оксида гафния HfO2 и не прореагировавшего магния, что указывает на не полное протекание реакций восстановления. Кроме того, в расчетном фазовом составе продуктов отсутствует силицид HfSi2 температура плавления которого ниже температуры горения реакционной смеси состава № 1 и сопоставима с температурой горения смеси состава № 2. Однако, в ходе охлаждения фазовый состав продуктов скорее всего будет меняться.

Значения адиабатических температур горения Тгад исследуемых реакционных смесей варьируются в интервале 1750–2119 К в зависимости от их состава. Причем наиболее высокое ее значение зафиксировано для состава № 1, содержащего наибольшее количество B2O3, что, скорее всего, связано с высоким тепловыделением при протекании реакции магнийтермического восстановления B2O3:

B2O3 + 3Mg → 2B + 3MgO, (∆H2100 К = -963 кДж/моль), (1)

Кроме того, на второй стадии синтеза, протекает химическая реакция взаимодействия восстановленных гафния и бора между собой:

Hf + 2B → HfB2, (∆H2100 К = -342 кДж/моль), (2)

Тепловыделение при протекании данной реакции также максимально по сравнению с остальными химическими реакциями между другими восстановленными элементами в исследуемой системе.

Максимальным тепловыделением в процессе горения характеризуется химическая реакция восстановления MoO3:

MoO3 + 3Mg → Mo + 3MgO, (∆H2100 К = -1537 кДж/моль), (3)

Однако концентрация оксида молибдена MoO3 в смесях практически одинакова и не высока, а, следовательно, вклад в общее тепловыделение в системе от данной восстановительной реакции будет аналогичен для обоих составов.

Кроме того, следует учитывать, что температура горения в реальных условиях синтеза несколько ниже расчетной адиабатической из-за тепловых потерь в системе на прогрев окружающей среды.

Процесс горения исследуемых реакционных смесей характеризуется высокими значениями массовой скорости горения Uгm в диапазоне 8,4–9,3 г/с. Большее значение Uгm также достигается при горении реакционной смеси состава № 1.

Выход целевого продукта при использовании схемы магнийтермического восстановления варьируется в интервале 31–34 % и не зависит от состава исходной реакционной смеси.

В таблице 2 приведены результаты рентгенофазового анализа полученных композиционных керамических СВС- порошков после химической отмывки от шлаковой фазы MgO и Mg.

Таблица 2

Результаты РФА синтезированных керамических порошков всистеме Hf-Si-Mo-B

состава

Фаза

HfB2

hP3/4

MoSi2

tI6/2

Si

cF8/1

HfSi2

oC12/1

Весовая

доля, %

Период решетки, нм

Весовая

доля, %

Период решетки,нм

Весовая

доля, %

Период решетки, нм

Весовая

доля, %

Период решетки,нм

1

63

а= 0,3137

c = 0,3469

18

а = 0,3204

с = 0,7842

19

а = 0,5420

-

-

2

14

а = 0,3140

с = 0,3473

22

а = 0,3205

с = 0,7843

8

а = 0,5425

56

а = 0,3672

в =1,4537

с = 0,3642

По полученным результатам РФА видно, что в порошках присутствуют следующие фазы: HfB2, MoSi2, Si, HfSi2, что практически соответствует рассчитанному исходному составу. Также по символам Пирсона можно сделать вывод о кристаллической решетке каждой фазы: у диборида гафния — примитивная гексагональная, у дисилицида молибдена –объёмно-центрированная тетрагональная, у кремния — гранецентрированная кубическая, у дисилицида гафния — базоцентрированная орторомбическая. Значения периодов решеток фаз схожи и не зависят от состава. Основной фазой первого состава является HfB2, а основной фазой второго — HfSi2. Также можно отметить отсутствие у второго состава остаточной фазы оксида гафния (таблица 2), следовательно, в процессе остывания продуктов синтеза произошло полное довосстановление HfO2, что привело к увеличению концентрации фаз HfB2 и HfSi2 в продуктах синтеза.

На рисунке 1 показаны структуры синтезированных СВС- порошков, до процесса деагломерации (а,б) и после (в,г). Можно заметить, что без дополнительной механической обработки порошки являются довольно неоднородными и представляют собой множество агломератов.

Рис. 1. Микроструктура синтезированных порошков до (а,б) и после (в,г) деагломерации в планетарной мельнице: состав № 1 (а,в); состав № 2 (б,г)

Как видно механическая обработка синтезированного СВС-порошка в планетарной центробежной мельнице (ПЦМ) позволила уменьшить размер частиц примерно в три раза, а также повысить химическую однородность, о чем свидетельствуют карты распределения основных элементов, приведенные на рисунке 2.

Рис. 2. Карты распределения Hf, Mo и Si в синтезированном СВС-порошке составов № 1 (а) и № 2 (б)

На рисунке 3 представлены интегральные и дифференциальные кривые распределения частиц СВС-порошков по размерам до и после деагломерации в планетарной центробежной мельнице.

Рис. 3. Гранулометрический состав синтезированных порошков до (а, б) и после (в, г) деагломерации в планетарной мельнице: состав № 1 (а, в); состав № 2 (б, г)

Из графиков видно, что после деагломирации в ПЦМ размер частиц синтезированных СВС- порошков уменьшился. Максимум на дифференциальных кривых распределения частиц по размерам сместился в область меньших размеров. Средние размеры частиц порошков до и после механической обработки в ПЦМ и их значения интегральных распределений представлены в таблице 3.

Таблица 3

Средний размер частиц иинтегральное распределение частиц по размерам

состава

Размер частиц, мкм

До деагломерации

После деагломерации

Dср

D10

D50

D99

Dср

D10

D50

D99

1

11,8

4,0

10,3

37,4

6,1

0,7

4,3

26,5

2

10,6

3,2

9,1

33,7

6,0

1,0

5,0

23,3

Видно, что средний размер частиц снизился в два раза с 10,6–11,8 мкм до 6,0–6,1 мкм. Также можно отметить уменьшение максимального размера частиц с 33,7–37,4 мкм до 23,3–26,5 мкм. На основании этого можно сделать вывод о том, что после процесса деагломерации доля мелкой фракции в синтезированных СВС- порошках увеличивается.

При более детальном изучении структуры полученных СВС- порошков при больших увеличениях было установлено, что результаты структурных исследований хорошо коррелируют с данными РФА, полученными при изучении фазового состава. На рисунке 4 показаны структуры СВС- порошков, снятые на большем увеличении. Основными структурными составляющими в синтезированном СВС- порошке состава № 1 являются довольно крупные зерна MoSi2 с расположенными в основном внутри них дисперсными зернами HfB2 вытянутой формы, а также выделения чистого кремния округлой формы. В отличие от СВС- порошка состава № 1 в порошке состава № 2 присутствует большое количество зерен HfSi2 полиэдрической формы. Скорее всего зерна HfSi2 формируются на этапе вторичного структурообразования в результате взаимодействия гафния с расплавом кремния. Образование зерен диборида HfB2 в случае магнийтермического восстановления, при наличии большого количества жидкой фазы, скорее всего, происходит путем кристаллизации из пересыщенного гафнием и бором расплава кремния

Изучение полученных порошков проходит с учетом данных по РФА. На рисунке 4 показаны структуры при большем увеличении.

Рис. 4. Микроструктуры СВС — порошков составов № 1 (а) и № 2 (б)

Литература:

  1. Gasch M. J. Ultra High Temperature Ceramic Composites / M. J. Gasch, D. T. Ellerby, S. M. Johnson // Handbook of Ceramic Composites (Ed.: N. P. Bansal), Kluver Academic Publishers, NY, USA. — 2005. — P. 197–224.
  2. Самсонов Г. В. Бориды / под ред. Г. В. Самсонов, Т. И. Серебрякова, В. И. Неронов. — М.: Атомиздат, 1975. — 376 с.
  3. Li Weiguo. Numerical Simulation for Thermal Shock Resistance of UltraHigh Temperature Ceramics Considering the Effects of Initial Stress Field /Weiguo Li,Tianbao Cheng, Dingyu Li,and Daining Fang // Advances in Materials Science and Engineering.–2011–P. 1–7.
Основные термины (генерируются автоматически): состав, размер частиц, период решетки, порошок, равновесный состав продуктов синтеза, порошок состава, процесс горения, смесь, большее увеличение, механическая обработка.


Похожие статьи

Новые тенденции в совершенствовании технологии и улучшении...

В процессе производства танталового порошка крупность частиц определяет CV сорт. Чем выше CV, тем мельче требуется размер частиц. Тем не менее, в процессе производства конденсаторов обычно предпочитаются порошки с достаточно большой крупностью по Фишеру.

Получение и исследование порошков на основе пористого...

Данная работа посвящена получению и исследованию порошков на основе пористого

В задачи работы входило исследование процессов агрегации порошков на основе пористого

В настоящее время интерес к получению и исследованию частиц на основе пористого кремния...

Разработка пооперационной схемы получения металлического...

К физическим свойствам металлических порошков относятся: форма и размер частиц порошка, гранулометрический состав, величина удельной поверхности частиц, пикнометрическая плотность и состояние кристаллической структуры металла порошка.

Технические условия применения минерального порошка из...

Наиболее распространенный химический состав минерального порошка из известняка таблица 2.

Масса точечной пробы при интервале отбора в 1 ч должна быть не менее 500 г. При увеличении интервала отбора масса отбираемой точечной пробы должна быть увеличена: при...

Жаростойкие покрытия на основе системы SiC-B4C: синтез...

В целях повышения жаростойкости в состав покрытий вводят тугоплавкие бескислородные

Синтез покрытий проведен по шликерно-обжиговой технологии на графите марки ГМЗ.

Жаростойкость характеризовали изменением удельной массы покрытия (мг/см2) в процессе...

Влияние наноразмерного цинкового порошка на защитные...

Наночастица представляет собой частицу размером менее 100 нанометров, или 100 млрд. Долей метра. Определить, является ли порошок не нано или нет, на самом деле довольно сложно, так как практически невозможно гарантировать, что продукт является 100 % -ной...

Применение в асфальтобетонных смесях минерального порошка...

Таким образом, минеральный порошок из перлита Хасынского месторождения может использоваться в качестве минерального порошка в асфальтобетонных смесях, при условиях соблюдения гранулометрического состава, соответствия радиационных показателей.

Математическая модель горения пропан-бутановой смеси при...

Модель горения в системе FlowVision включает расчет конечно-объемным методом параметров процесса по уравнениям

1. Польшиков, В.Ю. Разработка технологии и оборудования для синтеза углеродных наноструктурных материалов в диффузионном пламени / В.Ю. Польшиков...

Сравнительный анализ двух смесевых твердых топлив с точки...

В данной работе анализируется состав продуктов сгорания двух смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ) в камере сгорания (КС) модельного РДТТ на предмет содержания вредных для окружающей среды и, в частности для человека веществ.

Похожие статьи

Новые тенденции в совершенствовании технологии и улучшении...

В процессе производства танталового порошка крупность частиц определяет CV сорт. Чем выше CV, тем мельче требуется размер частиц. Тем не менее, в процессе производства конденсаторов обычно предпочитаются порошки с достаточно большой крупностью по Фишеру.

Получение и исследование порошков на основе пористого...

Данная работа посвящена получению и исследованию порошков на основе пористого

В задачи работы входило исследование процессов агрегации порошков на основе пористого

В настоящее время интерес к получению и исследованию частиц на основе пористого кремния...

Разработка пооперационной схемы получения металлического...

К физическим свойствам металлических порошков относятся: форма и размер частиц порошка, гранулометрический состав, величина удельной поверхности частиц, пикнометрическая плотность и состояние кристаллической структуры металла порошка.

Технические условия применения минерального порошка из...

Наиболее распространенный химический состав минерального порошка из известняка таблица 2.

Масса точечной пробы при интервале отбора в 1 ч должна быть не менее 500 г. При увеличении интервала отбора масса отбираемой точечной пробы должна быть увеличена: при...

Жаростойкие покрытия на основе системы SiC-B4C: синтез...

В целях повышения жаростойкости в состав покрытий вводят тугоплавкие бескислородные

Синтез покрытий проведен по шликерно-обжиговой технологии на графите марки ГМЗ.

Жаростойкость характеризовали изменением удельной массы покрытия (мг/см2) в процессе...

Влияние наноразмерного цинкового порошка на защитные...

Наночастица представляет собой частицу размером менее 100 нанометров, или 100 млрд. Долей метра. Определить, является ли порошок не нано или нет, на самом деле довольно сложно, так как практически невозможно гарантировать, что продукт является 100 % -ной...

Применение в асфальтобетонных смесях минерального порошка...

Таким образом, минеральный порошок из перлита Хасынского месторождения может использоваться в качестве минерального порошка в асфальтобетонных смесях, при условиях соблюдения гранулометрического состава, соответствия радиационных показателей.

Математическая модель горения пропан-бутановой смеси при...

Модель горения в системе FlowVision включает расчет конечно-объемным методом параметров процесса по уравнениям

1. Польшиков, В.Ю. Разработка технологии и оборудования для синтеза углеродных наноструктурных материалов в диффузионном пламени / В.Ю. Польшиков...

Сравнительный анализ двух смесевых твердых топлив с точки...

В данной работе анализируется состав продуктов сгорания двух смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ) в камере сгорания (КС) модельного РДТТ на предмет содержания вредных для окружающей среды и, в частности для человека веществ.

Задать вопрос