Физико-химические и структурные исследования продукта порошковой смеси Si₃N₄ и AlN плазмохимическим способом

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.

1. Ekstrӧm T., Nygren M. SiAlON ceramics // J. Am. Ceram.Soc. 1992. V. 75. P. 259–276.

2. Genova L.A., IzhevskiyV.A., BressianiJ.C., AldingerF. Progess in SiAlON Ceramics // Journal of the European Ceramic Society. 2000. V. 20. P. 2275–2295.

3. Ganesh I. Development of β-SiAlON based ceramics for radome applications // Processing and Application of Ceramics. 2011. V. 5. № 3. P. 113‒138.

4. 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.

5. 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.

6. Pettersson P., Shen Z., Johnsson M., Nygren M. // Journal of the European Ceramic Society. 2001. V. 21. P. 999‒1005.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Валяева М.Е., Кондратьева Л.А. Обзор методов получения сиалона // Современные материалы. Техника и технологии. 2021. № 4 (37). С. 10‒16.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Власов В.А., Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Волокитин О.Г. Плазменные технологии создания и обработки строительных материалов. Томск : НТЛ, 2018. 512 с.

17. 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.

18. 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.

19. Белов Г.В., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем. Москва : МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2013. 96 с.

20. 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.