Research of structure and physical and mechanical properties of ceramics based on aluminum and zirconium oxynitrides

Актуальность. Развитие геологии ХХI в. невозможно без решения фундаментальных проблем современного материаловедения, обусловленных задачами создания новых материалов функционального назначения. Несмотря на многообразие методов синтеза оксинитридов алюминия и циркония, и консолидирования керамики на их основе, разрабатываемых в настоящее время, научный и практический интерес представляет твердофазный синтез в процессе компактирования соответствующих смесей в инертной атмосфере. При этом порошки могут быть спрессованы в компакты как до спекания, так и в его процессе. Во втором случае могут применяться различные варианты горячего прессования и искрового плазменного спекания. Для тугоплавких ионно-ковалентных оксинитридов переходных металлов активированное спекание является актуальной проблемой, так как оно осуществляется по диффузионному механизму. Для решения этой проблемы необходимо исследование закономерностей и механизмов консолидирования оксинитридных керамических материалов и поиск соответствующих активирующих добавок и методов активирования. Цель: разработать метод получения высокоплотной прочной керамики на основе оксинитрида алюминия и циркония, включающий синтез сжигания порошковых смесей и последующее горячее прессование в инертной атмосфере, и исследовать структуру и физико-механические свойства полученных компактов. Методы: ситовый анализ крупнодисперсных порошков с использованием анализатора А20, рентгенофазовый анализ исследуемых образцов, гидростатическое взвешивание для определения кажущейся плотности спеченных образцов, измерение микротвердости спеченных образцов, растровая электронная микроскопия, Scratch-тестирование. Результаты. Получена керамика на основе оксинитрида алюминия с применением уникального метода, включающего синтез порошка Al2O3-AlN путем сжигания нанопорошка Al и последующее горячее прессование в инертной атмосфере. Полученная керамика имела следующие физико-механические свойства: модуль упругости при индентировании EIT=286537 МПа, твердость индентирования HIT=13160 МПа, прочность образцов [sigma]s=2912 МПа. Методом горячего прессования получена высокомодульная прочная оксинитридная керамика ZrO2-ZrN (модуль упругости при индентировании EIT=323897 МПа, твердость индентирования HIT=19244 МПа, прочность образцов [sigma]s=3381 МПа). Полученные материалы предлагаются для использования в технологии функциональной керамики нового поколения.Relevance. The development of geology in the XXI century is impossible without solving the fundamental problems of modern materials science, caused by the tasks of creating new materials for functional purposes. Despite the variety of methods for aluminum and zirconium oxynitride synthesis and consolidating ceramic based on them, currently being developed, scientific and practical interest is the solid phase synthesis during compaction of corresponding mixtures in inert atmosphere. In this case, powders can be pressed into compacts, both before and during sintering. In the latter case various variants of hot pressing and spark plasma sintering can be applied. For refractory ioniccovalent transition metal oxynitrides, the activated sintering is an urgent problem, since it is carried out by a diffusion mechanism. To solve this problem, it is necessary to study the patterns and mechanisms of consolidation of oxynitride ceramic materials and to search for appropriate activating additives and activation methods. The main aim of the research is to develop a method for obtaining high-density durable ceramics based on aluminum and zirconium oxynitride, including the synthesis of combustion of powder mixtures followed by hot pressing in inert atmosphere and to investigate the structure and physico-mechanical properties of the resulting compacts. The methods: sieve analysis of coarse powders using the A20 analyzer, X-ray phase analysis of the samples under study, hydrostatic weighing to determine the apparent density of sintered samples, measurement of the microhardness of sintered samples, scanning electron microscopy, scratch testing. The results. Using a unique method, including the synthesis of Al2O3-AlN powder by burning Al nanopowder and subsequent hot pressing in inert atmosphere, an oxynitride ceramic based on aluminum oxynitride was obtained. The resulting ceramics had the following physical and mechanical properties: modulus of elasticity during indentation EIT=286537 MPa, indentation hardness HIT=13160 MPa, specimen strength [sigma]s=2912 MPa. The ultra-high solid oxynitride ceramic ZrO2-ZrN (modulus of elasticity during indentation EIT=323897 MPa, indentation hardness HIT=19244 MPa, specimen strength [sigma]s=3381 MPa) was obtained by hot pressing. The obtained materials are proposed for use in the technology of new generation functional ceramics

Synthesis of niobium nitride in conditions of heat explosion of aluminum nanopowder and niobium pentoxidemixtures

The relevance. The preparation of refractory nitrides in the air under the conditions of thermal explosion of aluminum nanopowder mixtures with metal oxides presents practical interest both for materials science and for the theory of the reactivity of air at high temperatures. This synthesis is the least energy-intensive, and it does not require complicated equipment. Only the heating of the initial charge is necessary for synthesis, then the process proceeds spontaneously. The main aim of the research is to determine experimentally the composition of combustion products of aluminum nanopowder mixtures with niobium pentaoxide in the air, to substantiate theoretically the stabilization of niobium nitride Nb 2 N in the air. Object: powder containing niobium nitride obtained by burning a mixture of aluminum nanopowder with niobium pentoxide in the air. Methods: x-ray analysis (diffractometer Difrey-401), differential thermal analysis SDT Q600 Instrument company. On the basis of the results of the differential thermal analysis the authors have calculated four parameters of the mixtures activity: temperature of oxidation beginning (t st.ox. , °C), oxidation degree ( α , %), maximal oxidation speed (v max , mg/min), specific thermal effect ( Ʌ Н, J/g). X-ray analysis was used for investigating crystal structure of oxidation ending products. Results. Combustion of mixtures of aluminum nanopowder with niobium pentaoxide in the air proceeded in two stages with formation of niobium nitride Nb 2 N. According to the x-ray analysis in the combustion products, the mixture of NP Al:Nb 2 O 5 =3:1 reached maximum of 47 rel. %. The calculation of the isobaric-isothermal potential showed that niobium nitride should be oxidized by air oxygen. The reason of stabilization of Nb 2 N crystalline phase is the air oxygen deactivation by emission of burning aluminum nanopowder.Актуальность. Получение тугоплавких нитридов в воздухе в условиях теплового взрыва смесей нанопорошка алюминия с оксидами металлов представляет практический интерес для материаловедения и для теории реакционной способности воздуха при высоких температурах. Такой синтез является наименее энергозатратным и не требует сложного оборудования. Для протекания синтеза необходим только нагрев исходной шихты, затем процесс протекает самопроизвольно. Синтез нитридсодержащих продуктов в воздухе с использованием атмосферного азота при нормальных условиях представляет интерес для получения новых видов керамики, добавок в обрабатывающий инструмент, для дисперсного упрочнения полимерных и композиционных материалов. Цель исследования: экспериментально определить состав продуктов сгорания смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия в воздухе. Объект: порошок, содержащий нитрид ниобия, полученный при сжигании смеси нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия в воздухе. Методы: рентгенофазовый анализ (дифрактометр Дифрей-401), дифференциальный термический анализ (термоанализатор SDT Q600, фирма Instrument). На основании результатов дифференциального термического анализа были рассчитаны четыре параметра активности смесей: температура начала окисления (tн.о, °C), степень окисленности (, %), максимальная скорость окисления (vmax, мг/мин), удельный тепловой эффект (Н, Дж/г). Рентгенофазовый анализ использовали для изучения фазового состава продуктов окисления. Результаты. Процесс горения смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом ниобия в воздухе протекал в две стадии с формированием нитрида ниобия Nb2N. Согласно рентгенофазовому анализу, выход нитрида ниобия в продукте сгорания смеси НП Al:Nb2O5=3:1 в мольном соотношении (при массе смесей НП Al:Nb2O5=2,64:1,36) достигал максимума и составлял 47 отн. %. Расчет изобарно-изотермического потенциала показал, что нитрид ниобия должен окисляться кислородом воздуха. Причиной стабилизации кристаллической фазы Nb2N является дезактивация кислорода воздуха излучением горящего нанопорошка алюминия

On air nitrogen chemical bonding in heat explosion of aluminum nanopowder and tantalum oxide mixtures

Актуальность исследования. Предлагаемая новая технология получения тугоплавких нитридов имеет ряд преимуществ: низкие энергозатраты, отсутствие необходимости в сложном оборудовании, для получения нитридов используется азот воздуха, процесс синтеза осуществляется при атмосферном давлении. Цель исследования: экспериментально определить составы продуктов сгорания смесей нанопорошка алюминия и пентаоксида тантала в воздухе и в жидком азоте. Объект: продукты синтеза нитрид тантала, полученные сжиганием в воздухе смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала. Методы: рентгенофазовый анализ (дифрактометр Дифрей-401), дифференциальный термический анализ (ДТА) (термоанализатор Q600 SDT, фирма Instrument). На основании результатов ДТА были рассчитаны четыре параметра активности смeсей: температура начала окисления (T н.о , °C), степень окисленности ( α , %), максимальная скорость окисления (v max , мг/мин), удельный тепловой эффект ( Ʌ Н, Дж/г). Рентгенофазовый анализ с использованием дифрактометра «Дифрей-401», излучение рентгеновской трубки Fe K α =0,193 нм. Результаты. Определены параметры активности смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала. Установлено, что температура начала окисления смесей равна или превышает 420 °С, т. е. смеси не пирофорны. Процесс горения, инициированный открытым пламенем, протекал в две стадии: при 600-900 и при 2200-2400 °С. Изучены продукты сгорания смесей нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала в воздухе и в жидком азоте. Впервые экспериментально показано, что при горении нанопорошка алюминия в воздухе алюминий восстанавливает пентаоксид тантала, который взаимодействует с азотом воздуха, образуя кристаллический нитрид тантала Ta 2 N. Максимальный выход нитрида тантала при сгорании в воздухе с образованием кристаллической фазы Ta 2 N составлял 54 отн. %. Согласно РФА, также впервые в продуктах сгорания в жидком азоте смеси нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала обнаружены кристаллические фазы α - и β-тантала. В то же время нитрид тантала не обнаружен в продуктах сгорания образца в жидком азоте. Стабилизация металлической фазы тантала при взаимодействии нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала в условиях теплового взрыва подтверждает ранее сформулированное предположение о механизме образования тугоплавких нитридов. На первой стадии алюминий восстанавливает тантал до металла, и в условиях теплового взрыва и дезактивации кислорода (нетеплового процесса перехода триплетного кислорода в синглетный) происходит взаимодействие восстановленного металла с азотом.The relevance of the research. The new proposed technology for obtaining refractory nitrides has several advantages: low energy consumption, no need for complex equipment, nitrogen is used to produce nitrides, synthesis is carried out at atmospheric pressure. The main aim of the research is to determine experimentally the composition of combustion products of aluminum nanopowder and tantalum pentoxide mixtures in air and in liquid nitrogen. Object: tantalum nitride synthesis product obtained by burning the aluminum nanopowder mixture with tantalum pentoxide in air. Methodsh: x-ray analysis (diffractometer Difrey-401), differential thermal analysis (DTA) (thermoanalyzer SDT Q600 Instrument company). According to the results of the DTA the authors have calculated four parameters of activity of the mixtures: oxidation onset temperature (T st.ox , °C), oxidation level ( α , %), maximal oxidation rate (v max , mg/min), specific thermal effect ( Ʌ Н, J/g). Results. The authors determined the parameters of activity of aluminum nanopowder with tantalum pentoxide mixtures. It is revealed that along with nitride and aluminum oxide in the products a crystalline phase of metallic tantalum is formed. The maximum yield of tantalum was 54 rel. %. It was shown experimentally that at aluminum nanopowder combustion in air, aluminum recovers tantalum pentoxide, which interacts with air nitrogen to form crystalline Ta 2 N tantalum nitride. According to X­ray, in the combustion products of a mixture of aluminum nanopowder with tantalum pentoxide, the crystalline phases of α - and β -tantalum are found. At the same time, tantalum nitride was not detected when the sample was burned in liquid nitrogen