vestniktgasuВестник Томского государственного архитектурно-строительного университетаVestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. JOURNAL of Construction and Architecture1607-18592310-0044Tomsk State University of Architecture and Building10.31675/1607-1859-2023-25-1-152-165vestniktgasu-1415Research ArticleСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯCONSTRUCTION MATERIALS AND PRODUCTSФизико-химические и структурные исследования продукта порошковой смеси Si3N4 и AlN плазмохимическим способомPhysicochemical and structural investigations of Si3N4 and AlN powder mixture product using plasma treatmentВласовВ. А.VlasovV. A.

Власов Виктор Алексеевич - доктор физико-математических наук, профессор.

Viktor A. Vlasov - DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building.

rector@tsuab.ruКлопотовА. А.KlopotovA. A.

Клопотов Анатолий Анатольевич - доктор физико-математических наук, профессор.

Anatoly A. Klopotov - DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building.

klopotovaa@tsuab.ruБезуховК. А.BezukhovK. A.

Безухов Константин Александрович – аспирант.

Konstantin A. Bezukhov - Research Assistant, Tomsk State University of Architecture and Building.

bezuhov_k@mail.ruВолокитинГ. Г.VolokitinG. G.

Волокитин Геннадий Георгиевич - доктор технических наук, профессор.

Gennady G. Volokitin - DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building.

vgg-tomsk@mail.ruГорленкоН. П.GorlenkoN. P.

Горленко Николай Петрович - доктор технических наук, профессор.

Nikolai P. Gorlenko - DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building.

gorlen52@mail.ruСаркисовЮ. С.SarkisovYu. S.

Саркисов Юрий Сергеевич - доктор технических наук, профессор.

Yury S. Sarkisov - DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building.

sarkisov@tsuab.ruНиколаевЕ. В.NikolaevE. V.

Николаев Евгений Владимирович - кандидат технических наук, научный сотрудник.

Evgeny V. Nikolaev - PhD, Research Engineer, National Research Tomsk Polytechnic University.

30, Lenin Ave., 634050, Tomsk

nikolaev0712@tpu.ruГолобоковН. Н.GolobokovN. N.

Голобоков Николай Николаевич - ведущий электроник лаборатории гетерогенных металлических систем.

Nikolai N. Golobokov - Leading Electronic Engineer, Tomsk Branch of Structural Macrokinetics Institute RAS.

nngolobokov@mail.ruТомский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and Civil EngineeringRussian FederationНациональный исследовательский Томский политехнический университетРоссияNational Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationТомский филиал Института структурной макрокинетики СО РАНРоссияTomsk Branch of Structural Macrokinetics Institute RASRussian Federation202322022023251152165Copyright © Власов В.А., Клопотов А.А., Безухов К.А., Волокитин Г.Г., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С., Николаев Е.В., Голобоков Н.Н., 20232023Власов В.А., Клопотов А.А., Безухов К.А., Волокитин Г.Г., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С., Николаев Е.В., Голобоков Н.Н.Vlasov V.A., Klopotov A.A., Bezukhov K.A., Volokitin G.G., Gorlenko N.P., Sarkisov Y.S., Nikolaev E.V., Golobokov N.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/1415

В работе представлены результаты исследований получения β-SiAlON из нитридов алюминия, кремния и мочевины при помощи воздействия высокоэнтальпийным потоком термической плазмы.

Методами рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии и дифференциально-термического анализа исследованы  физико-химические  свойства β-SiAlON. Показано, что при заданных параметрах воздействия плазменной струи на исходный материал происходит термохимическая реакция с образованием -Si5AlON7.

Выявлены и исследованы три области структурообразования, обусловленные градиентом температур в объеме образца в результате воздействия потоком плазмы. Первая область материала ‒ область, непосредственно облученная плазмой. Вторая область материала  переходная, которая располагается между первой и третьей  областями. Третья область  область термического нагрева вследствие  теплопередачи от облученной области.

The paper presents research results of the β-SiAlON production from aluminum, silicon and urea nitrides using high-enthalpy thermal plasma flow. Physicochemical properties of β-SiAlON are studied by using the X-ray phase analysis, scanning electron microscopy, and differential  thermal  analysis.  It  is  shown  that  at  the  spicified  plasma  jet  parameters, a thermochemical reaction occurs with the formation of β-Si5AlON7. Three zones of the structure formation caused by the temperature gradient in the bulk material as a result of the plasma exposure, are identified and studied. The first zone is directly irradiated by the plasma. The second is the transition zone, which locates between the first and third zones. The third is the thermal heating zone provided by the heat transfer from the irradiated zone.

плазманитрид кремниянитрид алюминияβ-SiAlONрентгенофазовый анализтермогравиметрический анализplasmasilicon nitridealuminum nitridesialonstructureX-ray phase analysisthermogravimetric analysisРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ FEMN-2023-0003.This work was financially supported by Grant N FEMN-2023-0003 from the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation.ReferencesEkstrӧm T., Nygren M. SiAlON ceramics // J. Am. Ceram.Soc. 1992. V. 75. P. 259–276.Ekström T., Nygren M. SiAlON ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 1992; 25: 259–276.Genova L.A., IzhevskiyV.A., BressianiJ.C., AldingerF. Progess in SiAlON Ceramics // Journal of the European Ceramic Society. 2000. V. 20. P. 2275–2295.Genova L.A., Izhevskiy V.A., Bressiani J.C., Aldinger F. Progess in SiAlON Ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 2000; 20: 2275–2295.Ganesh I. Development of β-SiAlON based ceramics for radome applications // Processing and Application of Ceramics. 2011. V. 5. № 3. P. 113‒138.Ganesh I. Development of β-SiAlON based ceramics for random applications. Processing and Application of Ceramics. 2011; 5 (3): 113.Krevel J.W.H., Rutten J.W.T., Mandal H. et al. Luminescence Properties of Terbium, Cerium-, or Europium-Doped α-Sialon Materials // Journal of Solid State Chemistry. 2002. V. 165. P. 19‒24.Krevel J.W.H., Rutten J.W.T., Mandal H. et al. Luminescence Properties of Terbium, Cerium-, or Europium-Doped α-Sialon Materials. Journal of Solid State Chemistry. 2002; 165 (1): 19.Sheppard C.M., MacKenzie K.J. D., Barris G.C. et. al. A new silicothermal route to the formation of X-phase sialon: the reaction sequence in the presence and absence of Y2O3 // Journal of the European Ceramic Society. 1997. № 17. P. 667–673.Sheppard C.M., MacKenzie K.J.D., Barris G.C. et. al. A new silicothermal route to the formation of X-phase sialon: the reaction sequence in the presence and absence of Y2O3. Journal of the European Ceramic Society. 1997; 17 (1): 667–673.Pettersson P., Shen Z., Johnsson M., Nygren M. // Journal of the European Ceramic Society. 2001. V. 21. P. 999‒1005.Pettersson P., Shen Z., Johnsson M., Nygren M. Journal of the European Ceramic Society. 2001; 21: 999-1005.Falak M.Z., Ahmed B.A., Saeed H.A., But, S.U., Hakeem A.S., Akbar U.A. Spark Plasma Sintering of SiAlON Ceramics Synthesized via Various Cations Charge Stabilizers and Their Effect on Thermal and Mechanical Characteristics // Crystals. 2021. V. 11. P. 1378‒1393.Falak M.Z., Ahmed B.A., Saeed H.A., Butt S.U., Hakeem A.S., Akbar U.A. Spark plasma sintering of SiAlON ceramics synthesized via various cations charge stabilizers and their effect on thermal and mechanical characteristics. Crystals. 2021; 11: 1378-1393.Болгару К.А., Верещагин В.И., Регер А.А. Синтез композиционных материалов на основе сиалона методом СВС из смеси ферросиликоалюминия с маршалитом // Инновационные силикатные и тугоплавкие неметаллические материалы и изделия: свойства, строение, способы получения : сб. трудов Международной научно-технической конференции. Минск : БГТУ, 2020. С. 66‒68.Bolgaru K.A., Vereshchagin V.I., Reger A.A. Synthesis of sialon-based composite materials using SHS from a mixture of aluminum ferrosilicon with marshallit. In: Proc. Int. Sci. Conf. ‘Innovative Silicate and Refractory Nonmetallic Materials and Products: Properties, Structure, Methods of Production’. Minsk, 2020. Pp. 66-68. (In Russian)Hirosaki N., Kocer C., Ogata S., Tatsumi K. Ab initio characterization of the mechanical and electronic properties of β-Si5AlON7 (Si6zAlzOzM8z, z = 0–5) // Physical Review. 2005. V. 71. P. 104‒105.Hirosaki N., Kocer C., Ogata S., Tatsumi K. Ab initio characterization of the mechanical and electronic properties of β-Si5AlON7 (Si6z AlzOzM8z, z = 0–5). Physical Review. 2005; 71: 104-105.Smirnov K.L., Grigoryev E.G. The regularity study of spark plasma sintering of β-sialon ceramics // Russian Internet Journal of Industrial Engineering. 2019. V. 7. №. 3. P. 36‒39.Smirnov K.L., Grigoryev E.G. The regularity study of spark plasma sintering of β-sialon ceramics. Russian Internet Journal of Industrial Engineering. 2019; 7 (3): 36-39.Валяева М.Е., Кондратьева Л.А. Обзор методов получения сиалона // Современные материалы. Техника и технологии. 2021. № 4 (37). С. 10‒16.Valyayeva M.E., Kondratyeva L.A. Sialon production methods. Sovremennyye materialy. Tekhnika i tekhnologii. 2021; 37 (4): 10-16. (In Russian).Ahmed B.A., Laoui T., Hakeem A.S. Development of calcium stabilized nitrogen rich α-sialon ceramics along the Si3N4:1/2Ca3N2:3AlN line using spark plasma sintering // Journal of Advanced Ceramics. 2020. V. 9. P. 606–616.Ahmed B.A., Laoui T., Hakeem A.S. Development of calcium stabilized nitrogen rich α-sialon ceramics along the Si3N4:1/2Ca3N2:3AlN line using spark plasma sintering. Journal of Advanced Ceramics. 2020; 9: 606–616.Nguyen T.P., Kakroudi M.G., Asl M.S., Ahmadi Z., Namini A.S., Delbari S.A., et. al. Influence of SiAlON addition on the microstructure development of hot-pressed ZrB2–SiC composites // Ceramics International. 2020. V. 46. P. 19209–19216.Nguyen T.P., Kakroudi M.G., Asl M.S., Ahmadi Z., Namini A.S., Delbari S.A., et al. Influence of SiAlON addition on the microstructure development of hot-pressed ZrB2–SiC composites. Ceramics International. 2020; 46: 19209–19216.Bezukhov K., Vlasov V., Klopotov A., Vereshchagin V., Golobokov N., et al. Features of obtaining SiAlON by the plasma-chemical method // AIP Conference Proceedings. 2022. V. 2509. P. 020‒022.Bezukhov K., Vlasov V., Klopotov A., Vereshchagin V., Golobokov N., et al. Features of obtaining SiAlON by the plasma-chemical method. AIP Conference Proceedings. 2022; 2509: 020-022.Власов В.А., Клопотов А.А., Безухов К.А., Голобоков Н.Н., Волокитин Г.Г., Шеховцов В.В., Власов Ю.А. Применение энергии низкотемпературной плазмы для синтеза керамического материала на основе SiAlON // Современные проблемы машиностроения: сб. трудов XIV Международной научно-технической конференции. Томск: ТПУ, 2021. C. 131‒132.Vlasov V.A., Klopotov A.A., Bezukhov K.A., Golobokov N.N., Volokitin G.G., Shekhovtsov V.V., Vlasov Yu.A. Low-Temperature plasma energy for synthesis of SiAlON-based ceramic materials. In: Proc. 24th Int. Sci. Conf. ‘Modern Problems of Engineering’, Tomsk: TPU, 2021. Pp. 131-132. (In Russian).Власов В.А., Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Волокитин О.Г. Плазменные технологии создания и обработки строительных материалов. Томск : НТЛ, 2018. 512 с.Vlasov V.A., Volokitin G.G., Skripnikova N.K., Volokitin O.G. Plasma technologies of building materials. Tomsk: NTL, 2018. 512 p. (In Russian).Тихомиров И.А., Власов В.А., Луценко Ю.Ю. Физика и электрофизика высокочастотного факельного разряда и плазмотроны на его основе. Москва : Энергоатомиздат, 2002. 196 с.Tkhomirov I.A., Vlasov V.A., Lutsenko Yu.Yu. Physics and electrophysics of high-frequency plasma torch discharge. Moscow: Energoatomizdat, 2002. 196 p. (In Russian).Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К., Улмасов А.Б. Синтез алюмомагнезиальной керамики MgAl2O3 в среде термической плазмы // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2022. Т. 24. № 3. С. 138−146.Shekhovtsov V.V., Skripnikova N.K., Ulmasov A.B. Synthesis of aluminum-magnesian ceramics MgAl2O3 in thermal plasma environment. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta – Journal of Construction and Architecture. 2022; 24 (3): 138-146. (In Russian).Белов Г.В., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем. Москва : МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2013. 96 с.Belov G.V., Trusov B.G. Thermodynamic modeling of chemically reacting systems. Moscow, 2013. 96 p. (In Russian).Макаров В.Н. Описание структурных превращений в оксидах железа и алюмосиликатах, составляющих природные глинистые минералы, на основе энергетического подхода : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Оренбург, 2021. 134 с.Makarov V.N. Energy approach to structural transformations in iron oxides and aluminosilicates composing natural clay minerals. PhD Thesis. Orenburg, 2021. 134 p. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.