ИССЛЕДОВАНИЕ СИНТЕЗА ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА КАРБИДА ЦИРКОНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОВОЛОКНИСТОГО УГЛЕРОДА
, к. т.н, доц.,
, студент гр. КХ-001
Новосибирский государственный технический университет, 630073, г. Новосибирск, пр-т К. Маркса 20
E-mail: *****@***ru
В настоящее время более глубокое изучение тугоплавких соединений связано с созданием материалов для таких отраслей как ракетная, реактивная современная электроника, атомная энергетика, машиностроение, химическая промышленность, а также для целей механизации и автоматизации высокотемпературных процессов в металлургии [1].
Карбид циркония характеризуется такими свойствами как: высокая температура плавления, высокая теплопроводность, высокая твердость, стойкость к абразивному износу, стойкость в агрессивных средах, малая скорость испарения и высокая плотность эмиссии. Эти свойства позволяют применять карбид циркония в таких областях промышленности как термокатоды электронных устройств, работающих в разборных установках в условиях неглубокого вакуума, компонент катодов термоэлектронных преобразователей, полирующие материалы, а также в составе эвтектических жаропрочных сплавов и керамики [2,3,4].
Существует несколько методов получения карбида циркония: осаждение из газовой фазы, непосредственным насыщением циркония углеродом, а также метод восстановления оксида циркония углеродом (сажей) с последующим образованием карбида. Из всех существующих методов получения этого соединения наиболее эффективным и экономичным является последний, протекающий по реакции:
ZrO2+3C=ZrC+2CO.
Данная работа посвящена исследованию процесса синтеза карбида циркония карботермическим методом при использовании в качестве восстановителя и карбидообразующего элемента нановолокнистого углерода (НВУ). НВУ является перспективным углеродным материалом для синтеза тугоплавких карбидов. Использование более дисперсного углеродного реагента (НВУ) позволит снизить параметры (температуру и время) этого процесса.
Шихта для синтеза карбида циркония готовилась из оксида циркония и НВУ в соответствии со стехиометрией для приведенной выше реакции.
В качестве углеродного материала применялся нановолокнистый углерод (НВУ), получаемый при каталитическом разложении метана с использованием Ni-содержащих катализаторов при температуре 550 °С. Величина его удельной поверхности находится в пределах 140-160 м2/г, т. е. значительно выше, чем у ламповой сажи [5].
Для определения параметров синтеза выполнен расчет температуры начала восстановления вышеуказанной реакции, с использованием справочных данных, приведенных в [2,4]. Температура начала восстановления составляет примерно 1940 К (1670 єС). С учетом возможного образования низшего оксида ZrO реальная температура процесса должна быть значительно выше.
В экспериментах температура составила 2000, 2100 и 2200 єС, время выдержки при этой температуре во всех экспериментах было 4 часа. Эксперименты проводились в печи сопротивления с графитовым трубчатым нагревателем.
Экспериментальная убыль массы (33,9, 34,5 и 34,4 %) практически совпадает с расчетной (35,2 %), что свидетельствует о практически полном протекании реакции во всем рассматриваемом диапазоне температур.
Продукты синтеза исследовались рентгенофазовым анализом (РФА) на дифрактометре ДРОН-3 с использованием Cu Kб излучения (л = 0,15406 нм). Рентгенофазовым анализом установлено, что полученный материал во всех экспериментах состоит из одной фазы – карбида циркония.
Анализ образцов на содержание циркония выполнен рентгеноспектральным флуоресцентным методом на анализаторе VRA-30 с Cr - анодом рентгеновской трубки, а на содержание углерода – на анализаторе С-144 фирмы «LECO» по углекислому газу. Полученные результаты (например, для образца, синтезированного при 2100 0С, содержание циркония равно 87,8 % масс., а углерода 11,8 % масс.) близки к расчетным ( 88,35 % масс. и 11,35 % масс. соответственно) для чистого карбида циркония. Это свидетельствует о высоком содержании карбида циркония в образцах.
Пикнометрическая плотность образцов определена на гелиевом автоматическом пикнометре «Ultrapycnometer 1200е». Она близка к приведенной в справочной литературе (6,73г/см3) [1].
Морфология поверхности и элементный состав образцов изучались на растровом электронном микроскопе (РЭМ) марки S–3400 фирмы «Hitachi».
На снимках РЭМ видно, что материал состоит из частиц размером 2-3 мкм, форма которых близка к сферической; частицы состоят из агрегатов (рисунок 3,4).
Рис. 3,4 – Снимок РЭМ образца карбида циркония
Удельная поверхность и пористость образцов определены методом БЭТ. Для образца, синтезированного при 2000 0С, она составила 2.8 м2/г. Для образцов, полученных при более высоких температурах, она ниже (составляет 1,5 м2/г и 1,3 м2/г соответственно).
Использование при синтезе карбида циркония НВУ позволило снизить температуру и время процесса по сравнению с промышленным [1,4]. Полученный материал имеет незначительное содержание примесей и состоит из частиц размером на уровне 2-3 мкм. Вследствие высокой чистоты и дисперсности карбид циркония может быть использован для изготовления керамики.
Список литературы
, Виницкий соединения. М.: Металлургия, 1976. 560 с. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений / Под ред. – М.: Металлургия, 1986, 928с. Карбиды / Под ред. – М.: Металлургия, 1968, 300с. Физико – химические свойства окислов / Под ред. М.: Металлургия, 1978, 472с. Kuvshinov G. G., Mogilnykh Yu. I., Kuvshinov D. G., Yermakov D. Yu., Yermakova M. A., Salanov A. N., Rudina N. A. Mechanism of Porous Filamentous Carbon Granule Formation on Catalytic Hydrocarbon Decomposition. Carbon. – 1999. - 37. - P.1239-1246.
