Синтез композиційних порошків у системi Si₃N₄–NbN

Анотація

Розроблено технологію синтезу in situ безрозмельного композиційного дрібнодисперсного порошку Si₃N₄–NbN шляхом твердофазної взаємодії в реакційній суміші Si₃N₄–Nb для виготовлення нітридної кераміки методами іскроплазмового спікання та гарячого пресування. Досліджено закономірності твердофазної взаємодії при термообробці в вакуумі реакційної порошкової суміші β-Si₃N₄–27,4% (мас.) Nb, розрахованої на утворення вищого нітриду ніобію за реакцією 4Nb + Si₃N₄ = 4NbN + 3Si. Взаємодію компонентів суміші вивчали за умов ізотермічної витримки протягом 1 год при температурах 1000, 1100, 1200, 1300 та 1400 °С. Встановлено, що при 1000 °С відбувається твердофазна взаємодія Si₃N₄, в результаті якої утворюється твердий розчин азоту в ніобії (α-Nb). При 1100 °С фіксується утворення нижчих нітриду Nb₂N та силіциду Nb₅Si₃. Підвищення температури до 1200 та 1300 °С призводить до збільшення кількості Nb₅Si₃, тоді як кількість Nb₂N майже не змінюється. Продукт, одержаний при 1400 °С, містить суміш силіцидів γ-Nb₅Si₃ та NbSi₂, а нижчий нітрид відсутній. Термодинамічними розрахунками підтверджено, що утворення вищих нітридів ніобію за вказаних умов вакуумної термообробки є термодинамічно невигідним. На основі встановлених структурно-фазових закономірностей твердофазної взаємодії в суміші Si₃N₄–Nb при розробці синтезу композиційних порошків застосовано двостадійний технологічний процес, який здійснювався в єдиному циклі шляхом термообробки в вакуумі при 1000 °С з наступним азотуванням при 1200 та 1300 °С. Встановлено, що після азотування при 1300 °С порошок містить Si₃N₄ та суміш, яка складається, ймовірно, з трьох вищих нітридів ніобію різних поліморфних моди­фі­кацій. З використанням розробленого режиму отримано дослідні партії порошків складу Si₃N₄–20% (об.) NbN та Si₃N₄–10% (об.) NbN. Аналіз дослідних партій показав, що всі синтезовані порошки мають необхідний фазовий склад і є дрібнодисперсними. Розмір частинок порошку Si₃N₄–20% (об.) NbN становить від 400 нм до 9 мкм, а  порошку Si₃N₄–10% (об.) NbN — від 1,5 до 5 мкм.