НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК


НОВОСИБИРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

ISSN (печатн.): 1814-1196          ISSN (онлайн): 2658-3275
English | Русский

Последний выпуск
№3(72) Июль - Сентябрь 2018

Синтез высокодисперсного порошка карбида циркония с использованием нановолокнистого углерода

Выпуск № 3 (60) Июль - Сентябрь 2015
Авторы:

Ю.Л. КРУТСКИЙ,
К.Д. ДЮКОВА,
А.Г. БАННОВ,
Е.А. МАКСИМОВСКИЙ,
А.В. УХИНА6,
Т.М. КРУТСКАЯ,
О.В. НЕЦКИНА,
В.В. КУЗНЕЦОВА
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1814-1196-2015-3-192-205
Аннотация
В статье представлены результаты исследования процесса синтеза высокодисперсного порошка карбида циркония и изучения некоторых его характеристик и свойств. Карбид циркония был получен восстановлением диоксида циркония нановолокнистым углеродом в печи сопротивления с графитовым нагревателем. Наличие в образцах карбида циркония установлено рентгенофазовым анализом. Содержание циркония и примесей найдено рентгеноспектральным флуоресцентным методом, общего углерода – сжиганием образца в токе кислорода с последующим определением СО2. Морфология и размер частиц определены методом растровой электронной микроскопии с применением локального энергодисперсионного рентгеновского микроанализа, позволившего определить в них наличие преимущественно циркония и углерода. Удельная поверхность, объем и диаметр пор определены методом БЭТ. Найдена плотность образцов. Выполнен седиментационный анализ. Термоокислительная стабильность в кислороде при нагреве до температуры до 1100 °С изучена синхронным термическим анализом. Изучена стойкость полученного карбида в серной кислоте. Оптимальными параметрами синтеза карбида циркония являются выдержка в течение 60 минут при температурах 2000…2100 °С. Полученный материал представлен одной фазой – карбидом циркония с содержанием примесей на уровне 3 %. Он состоит из сросшихся частиц размером до 20 мкм. Удельная поверхность материала составляет 1,3…1,8 м2/г. Начало окисления карбида циркония происходит при ~ 480 °С, процесс завершается при ~ 800 °С. При выдержке в растворе серной кислоты при комнатной температуре разложения карбида практически не происходит. Таким образом, по коррозионной стойкости полученный материал сопоставим с крупнозернистым (размер частиц 40…50 мкм) порошком аналогичного соединения.
Ключевые слова: высокодисперсный порошок, карбид циркония, карботермическое восстановление, характеристики, свойства, морфология, дисперсность, нановолокнистый углерод

Список литературы
1. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: справочник / под ред. Т.Я. Косолаповой. – М.: Металлургия, 1986. – 928 с.

2. Адамовский А.А. Карбиды переходных металлов в процессах абразивной обработки // Порошковая металлургия. – 2007. – № 11/12. – С. 96–111.

3. Microstructure and ablation resistance of ZrC nanostructured coating for carbon/carbon composites / S.-L. Wang, K.-Z.Li, H.-J.Li, Y.-L. Zhang // Materials Letters. – 2013. – Vol. 107. – P. 99–102. – doi: 10.1016/j.matlet.2013.05.124.

4. In situ synthesis mechanism and characterization of ZrB2-ZrC-SiC ultra high-temperature ceramics / Q. Qu, J. Han, W. Han, X. Zhang, C. Hong // Materials Chemistry and Physics. – 2008. – Vol. 110, iss. 2–3. – P. 216–221. – doi: 10.1016/j.matchemphys.2008.01.041.

5. Науменко В.Я. Получение карбидов переходных металлов IV-V групп в областях их гомогенности // Порошковая металлургия. – 1970. – № 10. – С. 20–22.

6. In situ synthesis of ZrC particles and its formation mechanism by self-propagating reaction from Al-Zr-C elemental powders / M.S. Song, B. Huang, M.X. Zhang, J.G. Li // Powder Technolo-gy. – 2009. – Vol. 191, iss. 1–2. – P. 34–38. – doi: 10.1016/j.powtec.2008.09.005.

7. Thermal explosion synthesis of ZrC particles and their mechanism of formation from Al-Zr-C elemental powders / Q. Hu, M. Zhang, P. Luo, M. Song, J. Li // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2012. – Vol. 35. – P. 251–256. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2012.06.008.

8. Study of formation behavior of ZrC in the Cu-Zr-C system during combustion synthesis / M.X. Zhang, B. Huang, Q.D. Hu, J.G. Li // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2012. – Vol. 31. – P. 230–235. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2011.11.008.

9. Study of formation behavior of ZrC in the Fe-Zr-C system during combustion synthesis / M.X. Zhang, Q.D. Hu, B. Huang, J.Z. Li, J.G. Li // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2011. – Vol. 29, iss. 5. – P. 596–600. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2011.04.002.

10. Preparation of ZrC by self-propagating high-temperature synthesis / J. Li, Z.Y. Fu, W.M. Wang, H. Wang, S.H. Lee, K. Niihara // Ceramics International. – 2010. – Vol. 36, iss. 5. – P. 1681–1686. – doi: 10.1016/j.ceramint.2010.03.013.

11. Simple synthesis of nano-sized refractory metal carbides by combustion process / H.I. Won, N. Hayk, C.W. Won, H.H. Lee // Journal of Materials Science. – 2011. – Vol. 46, iss. 18. – P. 6000–6006. – doi: 10.1007/s10853-011-5562-0.

12. Solid-state reaction synthesis of ZrC from zirconium oxide at low temperature / L. Wang, L. Si, Y. Zhu, Y. Qian // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2013. – Vol. 38. – P. 134–136. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2012.12.001.

13. Взаимодействие окислов металлов с углеродом / В.П. Елютин, Ю.А. Павлов, В.П. По-ляков, С.Б. Шеболдаев. – М.: Металлургия, 1976. – 360 с.

14. Comparative microscale investigations of the carbothermal synthesis of (Ti, Zr, Si) carbides with oxide intermediates of different volatilities / S. Stolle, W. Gruner, W. Pitschke, L.-M. Berger,

K. Wetzig // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2000. – Vol. 18,

iss. 1. – P. 61–72. – doi: 10.1016/S0263-4368(00)00018-4.

15. Gruner W., Stolle S., Wetzig K. Formation of COx species during the carbothermal reduction of oxides of Zr, Si, Ti, Cr, W and Mo // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2000. – Vol. 18, iss. 2–3. – P. 137–145. – doi: 10.1016/S0263-4368(00)00013-5.

16. Theoretical and experimental investigations on the mechanism of carbothermal reduction of zirconia / A. Sondhi, C. Morandi, R.F. Reidy, T.W. Scharf // Ceramics International. – 2013. – Vol. 39, iss. 4. – Р. 4489–4497. – doi: 10.1016/j.ceramint.2012.11.043.

17. Водопьянов А.Г., Кожевников Г.Н., Баранов С.В. Взаимодействие тугоплавких оксидов металлов с углеродом // Успехи химии. – 1988. – Т. 57, вып. 9. – С. 1419–1439.

18. Шумилова Р.Г., Косолапова Т.Я. Получение карбида циркония в полупромышленном масштабе // Порошковая металлургия. – 1968. – № 4 (64). – С. 86–89.

19. Preparation of highly dispersed ultra-fine ZrC by combination of carbothermal reduction of ball-milled ZrO2 and C mixture and bead milling / M. Seo, S. Kang, Y. Kim,S.-S. Ryu // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2013. – Vol. 41. – P. 345–350. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2013.05.007.

20. Carbothermal reduction synthesis of nanocrystalline zirconium carbide and hafnium carbide powders using solution-derived precursors / M.D. Sacks, C.-A. Wang, Z. Yang, A. Jain // Journal of Materials Science. – 2004. – Vol. 39, iss. 19. – Р. 6057–6066. – doi: 10.1023/B:JMSC.0000041702.76858.a7.

21. Carbothermal synthesis of ultra-fine zirconium carbide powders using inorganic precursors via sol-gel method / Y. Yan, Z. Huang, X. Liu, D. Jiang // Journal of Sol-Gel Science Technology. – 2007. – Vol. 44, iss. 1. – Р. 81–85. – doi: 10.1007/s10971-007-1595-x.

22. Synthesis of nanosized zirconium carbide by a sol-gel route / M. Dolle, D. Gosset, C. Bogicevic, F. Karolak, D. Simeone, G. Baldinozzi // Journal of the European Ceramic Society. – 2007. – Vol. 27, iss. 4. – P. 2061–2067. – doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2006.06.005.

23. One pot synthesis of soluble polymer for zirconium carbide / X.Y. Tao, W.F. Qiu,

H. Li, T. Zhao // Chinese Chemical Letters. – 2010. – Vol. 21, iss. 5. – Р. 620–623. – doi:10.1016/j.cclet.2010.01.002.

24. A simple way to prepare precursors for zirconium carbide / D. Zhao, H. Hu, C. Zhang, Y. Zhang, J. Wang // Journal of Materials Science. – 2010. – Vol. 45, iss. 23. – Р. 6401–6405. – doi: 10.1007/s10853-010-4722-y.

25. Carbothermal synthesis of submicrometer zirconium carbide from polyzirconoxane and phenolic resin by the facile one-pot reaction / C. Yan, R. Liu, Y. Cao, C. Zhang, D. Zhang // Journal of the American Ceramic Society. – 2012. – Vol. 95, iss. 1. – Р. 3366–3369. – doi: 10.1111/j.1551-2916.2012.05456.x.

26. Carbothermal synthesis of ZrC powders using a combustion synthesis precursor / A. Chu, M. Qin, Rafi-ud-din, L. Zhang, H. Lu, B. Jia, X. Qu // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2013. – Vol. 36. – Р. 204–210. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2012.08.016.

27. Synthesis of zirconium carbide powders using chitosan as carbon source / С. Yan, R. Liu, Y. Cao, C. Zhang, D. Zhang // Ceramics International. – 2013. – Vol. 39, iss. 3. – P. 3409–3412. – doi: 10.1016/j.ceramint.2012.09.032.

28. Synthesis and evolution of zirconium carbide via sol-gel route: features of nanoparticle oxide-carbon reactions / C. Ang, T. Williams, A. Seeber, H. Wang, Y.-B. Cheng // Journal of the American Ceramic Society. – 2013. – Vol. 96, iss. 4. – P. 1099–1106. – doi: 10.1111/jace.12260.

29. Synthesis of nanosized zirconium carbide powders by a combinational method of sol-gel and pulse current heating / J. Xie, Z. Fu, Y. Wang, S.W. Lee, K. Niihara // Journal of the European Ceramic Society. – 2014. – Vol. 34, iss. 1. – P. 13.e1–13.e7. – doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.07.003.

30. Новые материалы и технологии. Экстремальные технологические процессы / отв.ред. М.Ф. Жуков, В.Е. Панин. – Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1992. – С. 40–63.

31. Mechanism of porous filamentous carbon granule formation on catalytic hydrocarbon decomposition / G.G. Kuvshinov, Yu.L. Mogilnykh, D.G. Kuvshinov, D.Yu. Yermakov, M.A. Yerma-kova, A.N. Salanov, N.A. Rudina // Carbon. – 1999. – Vol. 37, iss. 8. – P. 1239–1246. – doi: 10.1016/S0008-6223(98)00320-0.

32. Реализация процесса получения гранулированного каталитического волокнистого углерода в масштабе пилотного реактора / Г.Г. Кувшинов, С.Г. Заварухин, Ю.И. Могильных, Д.Г. Кувшинов // Химическая промышленность. – 1998. – Т. 75, № 5. – С. 300–307.

33. Синтез высокодисперсного порошка карбида титана с использованием нановолокнистого углерода / Ю.Л. Крутский, А.Г. Баннов, Е.В. Антонова, В.В. Шинкарев, Е.А. Макси-мовский, А.В. Ухина, Е.А. Соловьев, Т.М. Крутская, А.А. Разумаков, Д.Д. Головин, О.В. Нецкина // Перспективные материалы. – 2014. – № 2. – С. 60–65.

34. Синтез высокодисперсного порошка высшего карбида хрома с использованием нановолокнистого углерода / Ю.Л. Крутский, К.Д. Дюкова, А.Г. Баннов, А.В. Ухина, В.В. Соколов, А.Ю. Пичугин, Т. М. Крутская, О.В. Нецкина, В.В. Самойленко // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2014. – № 3. – С. 3–8. – doi: 10.17073/1997-308X-2014-3-3-8.

35. Физико-химические свойства окислов: справочник / под ред. Г.В. Самсонова. –

2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1978. – 472 с.

36. Войтович Р.Ф. Окисление карбидов и нитридов. – Киев: Наукова думка, 1981. – 191 с.

37. Жиляев В.А. Структурно-химическое исследование высокотемпературного окисления соединений некоторых переходных металлов IV–V групп с углеродом, азотом и кислородом: автореф. дис. … канд. хим. наук: 02.00.04. – Свердловск, 1974. – 28 с.

38. Анализ тугоплавких соединений / Г.В. Самсонов, А.Т. Пилипенко, Т.Н. Назарчук, О.И. Попова, Т.Я. Косолапова, В.А. Оболончик, Г.Х. Котляр, Л.Н. Кучай, В.П. Копылова, Г.Т. Кабанник, А.Х. Клибус, К.Д. Модылевская, С.В. Радзиковская. – М.: Металлургиздат, 1962. – 256 с.
Просмотров: 1239