Разработка технологии получения микроразмерных порошков карбида бора, карбида хрома и диборида хрома с использованием нановолокнистого углерода

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………………………4
Перечень условных обозначений…………………………………………………………………..12
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА НЕКОТОРЫХ
ТУГОПЛАВКИХ БЕСКИСЛОРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ………………………………13
1.1 Перспективы использования тугоплавких бескислородных соединений в
современной технике…………………………………………………………………………………13
1.2 Получение высокодисперсных порошков карбида бора, карбида хрома и
диборида хрома………………………………………………………………………………………….24
1.2.1 Методы получения B4C…………………………………………………………………..24
1.2.2 Методы получения Cr3C2 ………………………………………………………………..34
1.2.3 Методы получения CrB2………………………………………………………………….43
1.3 Выводы по главе и постановка цели и задач исследования…………………….49
ГЛАВА 2 ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И
МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ…………………………………………………………………………..52
2.1 Характеристика исходных реагентов…………………………………………………….52
2.2 Методы исследований………………………………………………………………………….55
2.3 Методология работы……………………………………………………………………………57
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА B4C, Cr3C2, CrB2……….59
3.1 Термодинамический анализ реакций карбидо- и боридообразования…….59
3.2 Выбор оборудования……………………………………………………………………………75
3.3 Подготовка углеродного материала………………………………………………………77
3.4 Изучение влияния параметров процесса синтеза на полноту протекания
реакции и некоторые характеристики и свойства B4C…………………………………81
3.5 Изучение влияния методики приготовления шихты на размер частиц
Cr3C2…………………………………………………………………………………………………………87
3.6 Исследование и оптимизация процесса подготовки шихты и условий
проведения синтеза CrB2………………………………………………………………………….100
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И СВОЙСТВ
МИКРОРАЗМЕРНЫХ ПОРОШКОВ B4C, Cr3C2, CrB2………………………………….111
4.1 Исследование характеристик и свойств полученных образцов B4C……..111
4.2 Исследование характеристик и свойств полученных образцов Cr3C2……120
4.3 Исследование характеристик и свойств полученных образцов СrB2…….125
4.4 Изучение микроструктуры и свойств керамики на основе микроразмерных
порошков карбидов бора и хрома…………………………………………………………….133
ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИСИНТЕЗА МИКРОРАЗМЕРНЫХ
ПОРОШКОВ B4C, Cr3C2, CrB2…………………………………………………………………….143
5.1 Технико-экономическое обоснование процессов синтеза микроразмерных
порошков B4C, Cr3C2 , CrB2……………………………………………………………………..143
5.2 Разработка технологических процессов получения микроразмерных
порошков B4C, Cr3C2 , CrB2……………………………………………………………………..153
ВЫВОДЫ…………………………………………………………………………………………………..159
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………………………….162
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………..164
ПРИЛОЖЕНИЕ А Маркировка образцов……………………………………………..186
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Данные анализов шихты для получения карбида бора и
образцов карбида бора………………………………………………………………………………..188
ПРИЛОЖЕНИЕ В Данные анализов шихты для получения карбида хрома и
образцов карбида хрома……………………………………………………………………………..191
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Данные анализов шихты для получения диборида хрома и
образцов диборида хрома……………………………………………………………………………194
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Основы безопасности при работе с микроразмерными
материалами………………………………………………………………………………………………197
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Акт о внедрении в учебный процесс результатов
диссертационной работы……………………………………………………………………………200
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Акт о перспективах использования для создания
функциональных материалов карбидов бора и хрома и диборида хрома,
полученных с применением нановолокнистого углерода…………………………….201
ПРИЛОЖЕНИЕ З Акт о результатах испытаний микроразмерных порошков
карбидов бора и хрома……………………………………………………………………………….202

В рамках данной работы было показано, что использование
нановолокнистого углерода – высокодисперсного углеродного реагента с
развитой удельной поверхностью и высокой чистотой – перспективно для
процессов печного синтеза ряда порошков тугоплавких неметаллических
соединений. Более высокая реакционная способность (по сравнению с
традиционно используемым техническим углеродом) облегчает диффузию
реагентов и тем самым позволяет снижать температуру процессов
карботермического синтеза карбида хрома и синтеза карбида бора из элементов
150-200°С, а так же сокращать время требуемое для синтеза диборида хрома
карбидоборным восстановлением (до 15-30 минут), что в свою очередь
способствует повышению дисперсности продуктов синтеза. Показано, что
удельная поверхность на уровне 150 м2/г и размер частиц на уровне 1 мкм
нановолокнистого углерода способствует качественной гомогенизации исходной
шихты и приводит формированию частиц тугоплавких соединений высокой
дисперсности (4-10 мкм). Полнота прохождения карботермической реакции
восстановления оксида хрома увеличивается при использовании
нановолокнистого углерода с развитой удельной поверхностью ввиду облечения
диффузии реагентов, а размер частиц определяется размерами исходного оксида
хрома. Показано, что несмотря на термодинамическую возможность образования
фазы CrB2 уже при температуре 850-900°С, процесс идет со значительной
скоростью лишь при температуре 1700°С и через стадии образования низших
боридных фаз. Разработаны технологические процессы получения
микроразмерных порошков карбидов бора, хрома и диборида хрома, оценена
экономическая эффективность данных процессов. Показана принципиальная
возможность создания высокоплотной беспористой керамики с высоким
значением микротрвердости (41-46 ГПа) на основе синтезированных порошков
карбида бора и карбида хрома.
В связи с тем, что полученные порошки имеют высокую чистоту и
полидисперсны перспективно их применение для создания керамики, защитных
покрытий и композиционных материалов. Дальнейшее исследование в этой
области следует направить на получение по отработанной методике
композиционных порошковых материалов типов карбид-карбид, карбид-диборид,
диборид-диборид применительно к переходным металлам.