Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

УСВОЕНИЕ АЗОТА ПРИ ГОРЕНИИ СМЕСИ V2O5 + CA + CA3N2 В АЗОТЕ

Браверман Б.Ш. 1 Максимов Ю.М. 1 Аврамчик А.Н. 1 Чухломина Л.Н. 1
1 ФГБУН «Томский научный центр» Сибирского отделения Российской академии наук
Нитриды ванадия получали горением смеси порошков пентаоксида ванадия и кальция в азоте при повышенных давлениях. Максимальные температуры горения превышали 2000 °С. При таких температурах в зоне горения присутствует жидкая фаза, затрудняющая фильтрацию. Однако газовыделение, обусловленное испарением кальция, способствует разрыхлению образца, что позволяет получать ванадий, содержащий до 15,5 % мас. азота. Увеличение давления азота способствует увеличению содержания азота в продукте. Продукт, состоящий из оксида и нитрида кальция и нитридов ванадия, получается пористым. Ситовой анализ порошка полученного после кислотного растворения соединений кальция, показал, что до 80 % частиц имеют размер менее 40 мкм.
ванадия оксид
азотирование
кальциетермическое восстановление
температура горения
1. Максимов Ю.М. Взаимодействие ванадия с азотом в режиме горения / Ю.М. Максимов, М.Х. Зиатдинов, Л.Г. Расколенко, О.К. Лепакова // Физика горения и взрыва. – 1979. – Т. 15. № 3. – С. 161–164.
2. Касимцев А.В., Левинский Ю.В. Гидридно-кальциевые порошки металлов, интерметаллидов, тугоплавких соединений и композиционных материалов. – М.: Издательство МИТХТ, 2012. – 248 с.
3. Браверман Б.Ш. Усвоение азота при горении смеси TiO2 + Ca + Ca3N2 в азоте / Б.Ш. Браверман, Ю.М. Максимов, А.Н. Аврамчик, Л.Н. Чухломина, А.Б. Толынбеков // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 8, ч. 3. – С. 474.
4. Аврамчик А.Н. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез нитрида кальция из элементов / А.Н. Аврамчик, Л.Н. Чухломина, Ю.М. Максимов, К.А. Болгару // Известия Томского политехнического университета. – 2013. – Т. 322. № 3. – С. 26–28.

Твердость и жаростойкость нитрида ванадия позволяют рассматривать его в качестве перспективного компонента высокотемпературных композиционных материалов.

Одним из способов получения нитридов ванадия является азотирование порошка ванадия в режиме горения, например метод, изученный в работе [1]. Порошок ванадия может быть получен восстановлением оксидов. В книге [2] описана методика получения порошка ванадия восстановлением при нагреве в печи гидридом кальция оксида V2O3, который получают восстановлением оксида V2O5 водородом. Наиболее устойчивый оксид V2O5 не может быть использован в этом методе из-за слишком большой величины удельного теплового эффекта реакции его восстановления, что приводит к взрыву.

Возможность получения нитридов металлов из окислов в одном процессе в режиме горения изучена в работе [3], где показано, что нитрид титана, может быть получен при горении смеси оксида титана с кальцием и нитридом кальция в атмосфере азота.

В связи с этим представляло интерес изучить возможность получения нитридов ванадия из оксида V2O5 способом, аналогичным описанному в [3].

Исходными материалами служили: пентаоксид ванадия квалификации Ч по ТУ 6-09-4093-88, производства ЗАО «Вектон», порошок кальция гранулированного с диаметром гранул 0,5–2 мм производства ОАО «Чепецкий механический завод», газ азот повышенной чистоты ГОСТ 9293-74. Исходные порошки смешивали в керамической ступке и помещали в бумажный цилиндрический тигель диаметром 23 мм. Бумажный тигель устанавливали на графитовой подставке в металлический тигель диаметром 40 мм, таким образом, чтобы он не касался стенок. Температуру измеряли вольфрам-рениевыми термопарами ВР-5/20. Термопару вводили через боковую поверхность на высоте 20 мм от дна бумажного тигля. Э.д.с. термопары преобразовывали в цифровой вид с помощью АЦП ЛА 20 USB и записывали на компьютер. Сборку с исходной смесью помещали в бомбу постоянного объема, которую заполняли азотом. Зажигание осуществляли спиралью из молибденовой проволоки диаметром 0,5 мм, на которую подавали кратковременный импульс тока. Первые эксперименты показали, что использование в качестве восстановителя металлического кальция приводило к образованию большого количества жидкой фазы из-за сильного тепловыделения при горении, материал образца растекался, расплавляя металлический тигель. Продукт невозможно было отделить от тигля. Для снижения температуры, часть кальция в шихте заменяли нитридом кальция, как в [3]. Замена 75 % кальция нитридом Ca3N2 позволила избежать растекания продукта реакции. Порошок нитрида кальция получали синтезом в режиме горения в азоте при давлении 6 МПа порошка кальция (как описано в [4]) с последующим измельчением в ступке. С учетом разбавления состав шихты для получения азотированного ванадия рассчитывали по формуле

V2O5 + 5n((1 – m)Ca + mCa3N2/3),

где n – отношение фактического содержания Ca в шихте к его стехиометрическому количеству, m – доля Ca, вводимая в виде Ca3N2.

Продукты обрабатывали в 2 %-м растворе HCl для удаления образующихся при горении оксида и нитрида кальция и промывали в дистиллированной воде. Содержание N и O в отмытых пробах определяли на приборе LECO ONH 836 (ТОМ ЦКП СО РАН). Фазовый анализ проведён на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2.

Максимальные температуры горения для всех приведенных в таблице образцов превышали 2000 °С. При таких температурах в зоне горения присутствует жидкая фаза, что затрудняет фильтрацию азота. Однако происходившее при этом газовыделение, вызванное испарением кальция, способствует разрыхлению образца. Продукт, состоящий из оксида и нитрида кальция и нитридов ванадия, получается пористым. Ситовой анализ порошка, полученного после кислотного растворения соединений кальция, показал, что до 80 % частиц имеют размер менее 40 мкм. Результаты анализа на содержание азота и кислорода в продуктах приведены в таблице.

Состав исходных смесей и содержание азота и кислорода в продуктах

п/п

Состав смеси, г

коэффициенты

Pазота МПа

Содержание в продуктах, % мас.

V2O5

Ca

Ca3N2

n

m

O

N

1

10

3,31

12,23

1,2

0,75

3

3,35

12,6

2

20

6,61

24,45

1,2

0,75

6

1,52

15,1

3

20

6,61

24,45

1,2

0,75

8

0,90

15,4

4

12

4,63

17,11

1,4

0,75

5

1,18

13,6

5

20

7,71

28,53

1,4

0,75

8

0,84

15,0

6

20

6,06

22,42

1,1

0,75

1

0,79

14,9

7

20

6,06

22,42

1,1

0,75

6

1,60

15,3

8

20

6,06

22,42

1,1

0,75

8

1,65

15,5

Таким образом, показано, что азотированный ванадий с не очень большим содержанием кислорода может быть получен из пентаоксида (V2O5) в одном процессе в режиме горения. Увеличение давления азота способствует увеличению содержания азота в продукте.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 15-03-06862.


Библиографическая ссылка

Браверман Б.Ш., Максимов Ю.М., Аврамчик А.Н., Чухломина Л.Н. УСВОЕНИЕ АЗОТА ПРИ ГОРЕНИИ СМЕСИ V2O5 + CA + CA3N2 В АЗОТЕ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 7-1. – С. 57-58;
URL: https://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=11691 (дата обращения: 23.01.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074