Том 329 № 12 (2018)

DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2018/12/27

О МЕХАНИЗМЕ ХИМИЧЕСКОГО СВЯЗЫВАНИЯ АЗОТА ВОЗДУХА В УСЛОВИЯХ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА СМЕСЕЙ НАНОПОРОШКА АЛЮМИНИЯ С ОКСИДОМ ТАНТАЛА

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: продукт синтеза нитрид тантала, полученный сжиганием в воздухе смеси нанопорошка алюминия с пентаоксидом тантала. Методы: рентгенофазовый анализ (дифрактометр Дифрей-401), дифференциальный термический анализ (ДТА) (термоанализатор SDT Q600, фирма Instrument). На основании результатов ДТА были рассчитаны четыре параметра активности смeсей: температура начала окисления (tн.о, °C), степень окисленности (α, %), максимальная скорость окисления (vmax, мг/мин), удельный тепловой эффект (ΔН, Дж/г). Рентгенофазовый анализ с использованием дифрактометра «Дифрей-401», излучение рентгеновской трубки FeKα =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 Ta2N. Максимальный выход нитрида тантала при сгорании в воздухе с образованием кристаллической фазы Ta2N 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.

Ключевые слова:

Нитрид тантала, тепловой взрыв, нанопорошок, алюминий, газ азот, жидкий азот, тантал, пентаоксид тантала, термодинамика, кислород, синтез сжиганием.

Авторы:

Чудинова Александра Олеговна (Alexandra O. Chudinova)

Ильин Александр Петрович (Alexander P. Ilyin)

Роот Людмила Олеговна (Lyudmila O. Root)

Мостовщиков Андрей Владимирович (Andrey V. Mostovshchikov)

Спесивцева Софья Викторовна (Sofia V. Spesivtseva)

Джин Чун Ким (Jin Chun Kim)

Скачать PDF