Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ХИМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПОРОШКОВ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ

Ревва И.Б. 1 Чухломина Л.Н. 2
1 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
2 Томский научный центр
Представлены результаты исследований отражающих взаимосвязь свойств и способа получения промышленных порошков нитрида алюминия на их реакционную активность. Установлено количественное изменение химического и фазового состава порошков при взаимодействии с влагой воздуха при естественной и повышенной влажности. Определен состав продуктов взаимодействия порошков нитрида алюминия с влагой воздуха.
нитрид алюминия
оксид алюминия
гидролиз
степень превращения
1. Mitina N.A., Zemnickaya A.A., Boriskin S.A., Larina K.V., Ditts, A.A. Obtaining heat-conducting materials from aluminum nitride // 2012 7th International Forum on Strategic Technology, IFOST 2012 Proceedings: in 2 vol., (Tomsk, September 18-21, 2012). – Tomsk, 2012 – Vol. 2 – p. 92-96.
2. Толбанова Л.О., Ильин А.П. Устойчивость к воде нитрид содержащих керамических материалов, синтезированных сжиганием в воздухе // Известия Томского политехнического университета. – 2010. т. 316, №3. – С. 12-17.
3. Коршунов А.В., Голушкова Е.Б., Перевезенцева Д.О., Ильин А.П. Макрокинетика взаимодействия электровзрывных порошков алюминия с водой и водными растворами // Известия Томского политехнического университета. – 2008. т. 312, №3. – С. 5-10.

Применяемый в настоящее время разработчиками электронной аппаратуры оксид бериллия, который имеет лучшую среди диэлектриков теплопроводность, является остродефицитным, малодоступным и высокотоксичным материалом. В связи с этим приобретает особое значение поиск альтернативного материала. Одним из таких материалов является нетоксичный экологически чистый нитрид алюминия [1]. Интерес к керамике из нитрида алюминия растет каждый год. Все больше встречается публикаций, изучающих устойчивость керамики из нитрида алюминия к действию различных химических реагентов (кислот, оснований, их растворов и воды), а также к окислению на воздухе [2, 3]. Для производства керамики применяют коммерческие порошки нитрида алюминия различных производителей с разной реакционной активностью, что обусловлено способом их получения. Исследовались порошки, полученные методами прямого азотирования (ПА) и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Целью настоящей работы являлось исследование активности взаимодействия порошков нитрида алюминия с влагой воздуха, определение изменения состава порошков и продуктов взаимодействия.

Материалы и методы исследования

В работе исследовались коммерческие порошки нитрида алюминия производства H.C. Starck (Германия) g B, полученный способом ПА, и производства Eno Material (Китай), изготовленные способом СВС.

На рис. 1 представлены данные электронной микроскопии порошков нитрида алюминия, выполненные на растровом электронном микроскопе JSM 7500FA. На снимках видно, что нитрид алюминия производства H.C. Starck представлен крупными объемными частицами обломочной формы с размерами крупных частиц до 10 мкм. На поверхности крупных частиц расположены мелкие размером от 1 мкм и менее.

Нитрид алюминия производства Eno Material также представлен крупными фрагментами обломочной формы размером от 10 до 15 мкм, на поверхности которых расположены мелкие частицы менее 1 мкм. Представленные порошки имеют близкую морфологию и размеры частиц, что связано с необходимостью помола, полученного спёка нитрида алюминия после синтеза, независимо от способа получения. В таблице 2 представлены данные гранулометрического состава исследуемых порошков, выполненного на лазерном дифракционном анализаторе размеров частиц SALD 7101. Полученные результаты подтверждают данные электронной микроскопии о сходном гранулометрическом составе используемых порошков.

Определение фазового состава исходных порошков и продуктов проводили на рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD-7000, расшифровку вели по базе данных PDF-2 2013 г. По данным РФА все порошки нитрида алюминия были представлены единственной фазой нитрида алюминия (000-25-1133).

Точное определение содержание кислорода и азота в порошке нитрида алюминия проводили на приборе фирмы LECO марки ONH836. Содержание кислорода в исходных порошках было различным. Порошок нитрида алюминия производства H.C. Starck g B содержал 1,24 мас. % кислорода, производства Eno Material содержал 0,88 мас. % кислорода.

reva1.tif

Рис. 1. Микрофотографии порошков нитрида алюминия: ПА а) ×20000; СВС б) ×10000

Таблица 1

Данные гранулометрии порошков нитрида алюминия

Порошок нитрида алюминия

Размер частиц, мкм

D10,

D50

D90

ПА (H.C. Starck)

0,60

4,50

9,50

СВС (Eno Material)

1,00

4,00

10,00

Методика проведения эксперимента заключалась в следующем: порошки нитрида алюминия насыпались в чашку Петре, чтобы увеличить площадь поверхности для взаимодействия, и помещались в два эксикатора. В первом эксикаторе создавалась и поддерживалась воздушная среда с высокой влажностью (96-98 %), во втором – влажность воздушной среды была 15 % (условно «сухая» среда).

Нитрид алюминия при взаимодействии с водой воздуха начинает гидролизоваться по следующим реакциям:

rev1.wmf

rev2.wmf

rev3.wmf

Пробы отбирали с определенной периодичностью, которые затем анализировались.

Результаты исследования и их обсуждение

Изменение фазового состава СВС порошка, хранившегося в сухих условиях, во времени представлено на рис. 2.

reva2.tif

Рис. 2. Данные фазового состава СВС порошка, хранящегося в условиях «сухой» атмосферы

По данным РФА, порошок нитрида алюминия не изменил фазового состава при хранении даже в течение 52 суток, все рефлексы на рентгенограммах принадлежат нитриду алюминия. Изменение фазового состава СВС порошка, хранившегося во влажных условиях, во времени представлено на рис. 3.

Первым признаком взаимодействия порошков с влагой воздуха является запах аммиака, который был обнаружен уже через 4 часа при отборе пробы. Поскольку взаимодействие нитрида алюминия с влагой проходит через стадию образования аморфных нестехиометрических продуктов, на рентгенограмме изменения стало видно только на 5 сутки. Из представленных данных, с увеличением времени хранения интенсивность рефлексов принадлежащих Al(OH)3 возрастает, а рефлексов нитрида алюминия снижается.

reva3.tif

Рис. 3. Данные фазового состава СВС порошка, хранящегося в условиях влажной атмосферы

Аналогичным образом ведет себя порошок нитрида алюминия фирмы H.C. Starck, полученный прямым азотированием. Изменение фазового состава для проб, хранившихся в сухой атмосфере, не наблюдается и на 52 сутки. Изменение фазового состава порошка по данным рентгенофазового анализа, хранящегося во влажных условиях, начинается в 1 день.

Изменение химического состава определяли по изменению содержания азота, водорода, кислорода, характеризующих содержание нитрида и гидроксида алюминия соответственно, результаты определений представлены на рис. 4.

Установлено, что степень превращения нитрида алюминия для порошка ПА (производства Китай) в 1,7 раза выше, чем для порошка СВС. Наибольшее количество образовавшегося гидроксида алюминия связано с более высокой активностью порошков, полученных прямым азотированием. При этом из полученных данных видно, что в случае исследования СВС порошков процесс гидролиза практически прекращается на 20 сутки. Для порошков ПА процесс гидролиза не заканчивается даже на 52 сутки (рис. 4), о чем свидетельствует вид полученной кривой для порошка ПА.

Выводы

Исследованы процессы взаимодействия порошков AlN с влагой воздуха. Выявлено, что при длительном хранении, вплоть до 52 суток, любых порошков нитрида алюминия в «сухой» атмосфере (влажность не более 15 %) состав и свойства AlN не изменяются. Показано, что взаимодействие с влагой воздуха (влажность 96–98 %) начинается уже на первые сутки. При этом порошок, полученный методом прямого азотирования, активнее взаимодействует с образованием гидроксида алюминия, чем порошок произведенный СВС.


Библиографическая ссылка

Ревва И.Б., Чухломина Л.Н. ХИМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПОРОШКОВ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 6-3. – С. 469-472;
URL: https://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=6927 (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