Спосіб обробки нанокристалічних порошків тугоплавких сполук в потоці газу

Спосіб обробки нанокристалічних порошків тугоплавких сполук шляхом термообробки їх в потоці газу, який відрізняється тим, що попередньо здійснюють холодне пресування нанокристалічних порошків тугоплавких сполук розміром менше ніж 100нм, термообробку одержаних пресовок здійснюють в потоці гостроосушеного водню при температурах 450-500°С зі швидкістю нагрівання 30-60°С/год. та/або гостроосушеного азоту при температурах 650-800 °С зі швидкістю нагрівання 60-100°С/год. UA (21) a200512813 (22) 29.12.2005 (24) 10.09.2007 (46) 10.09.2007, Бюл. №14, 2007р. (72) Згалат-Лозинський Остап Броніславович, Рагуля Андрій Володимирович, Колесніченко Валерій Григорович, Тищенко Надія Іванівна (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМЕНІ І.М.ФРАНЦЕВИЧА Н АН УКРАЇНИ (56) Заявка UA, 96041322, A, 30.06.1998 UA, 54 168, A, 17.02.2003 Заявка UA, a200502747, 15.06.2005 US, 5 283 214, A, 01.02.1994 US, 5 552 353, A, 03.09.1996 JP, 02-153002, A, 12.06.1990 JP, 04-055370, A, 24.02.1992 JP, 06-057313, A, 01.03.1994 JP, 2002-321982, A, 08.11.2002 C2 2 (19) 1 3 80349 Найближчим аналогом є спосіб обробки порошків нітриду алюмінію [Деклараційний патент на винахід №54168 А. Бюл. №2 від 17.02.2003]. Відомий спосіб полягає в термічній обробці порошку нітриду алюмінію в середовищі водню в інтервалі температур 600-700°С. Даний спосіб забезпечує глибоке очищення від усіх домішкових елементів і сполук неметалевого характеру - адсорбованих кисню, вуглецю, сірки, фосфору, та оксидних і металевих включень. Недоліком наведеного способу є присутність каталізатора, проведення процесу в середовищі водню під тиском 1,5-2атм і тільки для нітриду алюмінію. В основу винаходу "Спосіб обробки нанокристалічних порошків тугоплавких сполук в потоці газу" поставлено задачу очищення та активації поверхні нанокристалічних порошків тугоплавких сполук перед спіканням, яка вирішується шляхом термообробки порошків в потоці гостроосушених газів водню та азоту. Відмінними суттєвими ознаками запропонованого рішення є порівняно низька температура обробки нанокристалічних порошків 450-500°С в потоці гостроосушеного газу водню та 650-800°С в потоці гостроосушеного газу азоту, проведення процесу термообробки зі швидкістю нагрівання 3060°С/год в потоці гостроосушеного газу водню та зі швидкістю нагрівання 60-100°С/год в потоці гостроосушеного газу азоту для нанокристалічних порошків нітриду алюмінію, нітриду кремнію, нітриду титану, бориду титан у та карбонітриду титану без присутності каталізаторів з подальшим зберіганням їх в герметичному боксі, заповненому азотом. Суть запропонованого винаходу полягає в тому, що в процесі термообробки відбувається часткове відновлення оксидів, а також десорбція летючих сполук CO, CО2, CnHm, Н2О, NН3 з поверхні порошку та вивід їх з зони термообробки. Таким чином проходить очищення нанокристалічних порошків від небажаних домішок. Структурна схема реалізації способу приведена на фіг.1. Попередньо нанокристалічні порошки піддають холодному пресуванню. Спосіб здійснюється шляхом термообробки пресовок нанокристалічних порошків, які знаходяться в нікелевих або молібденових, вольфрамових човниках, розміщених в тр убчатому реакторі печі. Через реактор пропускають гостроосушений водень (чистота не нижча, ніж 99,998%, точка роси -70°С), гостроосушений азот (чистота не нижча, ніж 99,998%, точка роси -50°С). Обробку в водні проводять шляхом нагрівання до 450-500°С зі швидкістю нагрівання 30-60°С/год. При термохімічній обробці в азоті нагрівання проводять до 650-800°С зі швидкістю нагрівання 60-100°С/год. Після закінчення термохімі 4 чної обробки порошки, без контакту з повітрям, евакуюють в заповнену азотом капсулу та переміщають в герметичний бокс. Далі зразки зберігають в герметичному боксі, заповненому гостроосушеним азотом під тиском в 1-3 атмосфери до проведення подальших операцій. Ефективність способу проаналізована та доведена для нанокристалічних порошків нітриду титану з розміром кристалітів 15нм та 45нм, а також для суміші порошків TiN-AIN, TiN-TiB2, TiNSi3N4, TiCN-Si3N4 з розміром кристалітів 50-70нм. Приклади здійснення способу. В кварцовий трубчатий реактор поміщають молібденовий човник ємністю 10см 3, заповнений на 2/3 порошком нітриду титану дисперсністю 15нм. Через реактор пропускають гостроосушений водень або гостроосушений азот. Залежність вмісту кисню та азоту від температури та швидкості нагрівання для нітриду титан у наведена в таблицях 1 та 2. Як видно з таблиць, оптимальними умовами очищення порошків нітриду титану є температура обробки 450-500°С при швидкості нагрівання 3060°С/год для обробки у гостроосушеному водні, та 650-800°С при швидкості нагрівання 60-100°С/год для обробки в гостроосушеноу азоті. Термохімічнаобробка при температурах ви ще 500°С в гостро осушеному водні та 800°С в гостроосушеному азоті не можлива, оскільки починається процес консолідації нанокристалічних порошків, що унеможливлює/їх подальше використання. Вміст кисню та азоту був визначений кулонометричним вимірюванням за ГОСТ 27417-87. Запропонований винахід має наступні переваги: - дозволяє проводити обробку нанокристалічних порошків нітриду алюмінію, нітриду кремнію, нітриду титану, бориду титану та карбонітриду титану в потоці гостроосушених газів (водень, азот); - не передбачає використання складного обладнання та каталізатора; - проведення процесу при температурах 450800°С; - зберігання оброблених нанокристалічних порошків в герметичному боксі, заповненому гостроосушеним азотом, що виключає повторне їх забруднення та окислення. Запропонований метод може бути використаний при отриманні щільних нанокристалічних матеріалів на основі тугоплавких сполук, наприклад, ріжучих пластин, високотемпературних тиглів, вставок в електроіскрові станки, теплових розсіювачів мікрохвильової енергії та інше. 5 80349 6 Таблиця 1 Термохімічна обробка нанокристалічних порошків у водні Температура, °С Швидкість нагрівання, °С/год Вихідний порошок 20 30 60 100 20 30 60 100 20 30 60 100 20 30 60 100 20 30 60 100 300 400 450 500 650 Вміст елементів [О], мас.% [N], мас.% 3,8 20,3 3,4 19,8 3,5 19,8 3,6 20,0 3,8 20,1 3,2 19,8 3,3 19,8 3,5 20,0 3,6 20,1 2,1 19,4 2,1 19,5 2,2 19,6 2,4 19,7 2,0 19,2 2,0 19,3 2,0 19,5 2,2 19,7 1,9 18,2 1,9 18,3 1,9 18,5 2,0 18,7 Таблиця 2 Термохімічна обробка нанокристалічних порошків в азоті Температура, °С Швидкість нагрівання, °С/год Вихідний порошок 50 60 100 120 50 60 100 120 50 60 100 120 50 60 100 120 500 650 800 900 Вміст елементів [О], мас.% [N], мас.% 3,8 20,3 3 20,5 3,2 20,4 3 20,3 3,2 20,3 2,9 20,8 3 20,7 3,2 20,4 3,4 20,4 2,8 21,1 2,95 21,0 3,0 20,6 3,2 20,3 2,7 21,2 2,8 21,0 2,95 20,6 3,0 20,5 7 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 80349 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601