Самораспространяющийся высокотемпературный синтез высокодисперсного порошка нитрида алюминия с использованием азида натрия и галоидных солей Na3AlF6, K3AlF6, (NH4)3AlF6

Во введении представлено обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость проведенных исследований. Представлены сведения об апробации и достоверности полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, а также дана краткая характеристика диссертационной работы.
В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертационной работы. Изложены физико-химические свойства, методы получения и области применения нитрида алюминия. Проанализированы преимущества и недостатки известных технологий получения нитрида алюминия. Более детально рассмотрен классический процесс СВС как основной процесс получения нитридов. Показана целесообразность и актуальность использования в процессах СВС твердых азотсодержащих соединений, в частности, азида натрия и галоидных солей (СВС-Аз), для получения высокодисперсного наноразмерного и субмикронного порошка нитрида алюминия за счет реализации невысоких температур горения, образования большого количества газообразных продуктов и отсутствия фильтрационных затруднений. Представлен анализ литературных данных по существующим традиционным способам получения литых композиционных материалов на алюминиевой матрице, показано влияние высокодисперсных армирующих тугоплавких частиц нитрида алюминия на улучшение механических и эксплуатационных свойств алюминиевых сплавов.
Во второй главе проводился выбор систем, предназначенных для синтеза нано- и субмикронного порошка AlN. Для проведения исследований обоснованы составы исходных смесей при использовании трех новых (не AlF3) алюмосодержащих галоидных солей (Na3AlF6, K3AlF6, (NH4)3AlF6) и составлены соответствующие уравнения реакций азидного СВС нитрида алюминия:
Na3AlF6 + 3NaN3 + хAl → (1+x)AlN + 6NaF + (1/2)(8–x)N2, (1) K3AlF6 + 3NaN3 + yAl → (1+y)AlN + 3NaF + 3KF + (1/2)(8–y)N2, (2) где x, y — 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 – число молей энергетической добавки
алюминия для повышения энергетики системы, температуры реакций и уменьшения содержания побочных водонерастворимых солей. Значение 8 молей алюминия является максимальным, при котором алюминий полностью поглощает активный атомарный азот, выделяемый при разложении азида натрия. При содержании добавки алюминия больше 8 молей активного атомарного азота уже не будет хватать для полного азотирования алюминия, что отрицательно скажется на качестве синтезируемого нитрида алюминия.
(NH4)3AlF6 + 6NaN3 + zAl → (1+z)AlN + 6NaF + 6H2 + (1/2)(20–z)N2. (3)
где z — 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 – число молей энергетической добавки алюминия. Значение 20 молей является
максимальным для полного поглощения активного азота, выделяемого при разложении азида натрия.
Выбраны методики, приборы и оборудование, предназначенные для синтеза и исследования синтезированного нитрида алюминия. Изучение процесса синтеза AlN по технологии СВС-Аз, измерение линейных скоростей и температур горения проводились на лабораторной установке СВС-Аз, основным элементом которой являлся лабораторный реактор СВС-Аз постоянного давления с рабочим объемом 4,5 л. Температура и скорость горения определялись термопарным методом с использованием вольфрам- рениевых термопар ВР 5/20. Регистрация температуры и скорости горения осуществлялась с помощью аналого-цифрового преобразователя, подсоединенного к компьютеру. Определены методы исследования продуктов синтеза: рентгенофазовый анализ для определения фазового состава (автоматизированный рентгеновский дифрактометр ARL X’TRA фирмы «Termo Sсientific»); растровая электронная микроскопия для определения морфологии и размера частиц порошка (растровый электронный микроскоп JSM-6390A фирмы «Jeol» с приставкой Jeol 6390А), энергодисперсионный анализ для определения элементного состава (pастpoвый электронный микpoскoп JSM- 6390A фиpмы «Jeol» с использованием приставки энергодисперсионной спектроскопии (EDS) Jeol JED-2000).
Приведены основные характеристики исходных компонентов, предназначенных для получения литых дисперсно армированных композитов Al-AlN. Выбраны методы и оборудование для изготовления литых композитов, дисперсно армированных нанопорошком нитрида алюминия марки СВС-Аз. Приведены методики определения структуры и свойств полученных образцов композитов Al-Al.
В третьей главе содержатся результаты термодинамического анализа возможности реализации процесса азидного СВС и образования нитрида алюминия в режиме горения в исследуемых системах. Термодинамический анализ проводился с помощью компьютерной программы «Thermo», разработанной в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения имени А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН). Были построены зависимости адиабатических температур и энтальпии продуктов реакции, а также равновесного состава продуктов реакции от содержания алюминия в исходной смеси реагентов (шихте) согласно уравнениям (1) – (3).
На рисунке 1 приведены расчетные результаты термодинамического анализа горения смеси «Na3AlF6+3NaN3+хAl». Видно, что с увеличением содержания Al, адиабатическая температура возрастает с 1269 до 2934 К. Энтальпия реакции тоже растет по абсолютному значению с –107 до –2651 кДж. Учитывая, что AlN начинает образовываться при температуре 720 °С, можно сделать вывод о том, что при сжигании всех предложенных смесей с Na3AlF6 возможно образование целевого продукта – нитрида алюминия.
3500 3000 2500 2000 1500 1000
500 0
0 -500 -1000 -1500 -2000 -2500 -3000 -3500
012345678 Содержание Al в смеси “Na3AlF6+3NaN3+xAl”, моль
Адиабатическая температура горения, К Энтальпия продуктов реакции, кДж
3000 2500 2000 1500 1000
500 0
0 -500 -1000 -1500 -2000 -2500 -3000
02468
Содержание Al в смеси “K3AlF6+3NaN3+yAl”, моль
Адиабатическая температура горения, К Энтальпия продуктов реакциии, кДж
Рисунок 1 – Зависимость адиабатической температуры и энтальпии продуктов реакции
от содержания алюминия в смеси «Na3AlF6+3NaN3+xAl»
Рисунок 2 – Зависимость температуры и энтальпии продуктов реакции
от содержания алюминия в смеси «K3AlF6+3NaN3+yAl»
В случаях использования в исходных смесях реагентов солей K3AlF6 (рисунок 2) и (NH4)3AlF6 (рисунок 3) адиабатические температуры находятся в пределах от 1130 до 2700 К и от 1257 до 2857 К соответственно, что свидетельствует о способности к самостоятельному горению и этих составов исходных смесей. Из термодинамических расчетов также следует, что равновесный состав продуктов химического взаимодействия реагентов в исходных смесях всех реакций (1) – (3) показывает полное образование целевого продукта – нитрида алюминия.
В четвертой главе
представлены результаты экспери- ментальных исследований законо- мерностей горения азидных систем (1) – (3) и синтеза нитрида алюминия. Исследования проводились на образцах цилиндрической формы диаметром 30 мм и высотой 45 мм при насыпной относительной плотности 0,34-0,40 и давлении внешнего азота в реакторе 4 МПа. Размер частиц исходных порошковых реагентов составлял менее 40 мкм.
На рисунке 4 представлены результаты экспериментального исследования зависимости температуры (ТГ) и скорости горения (UГ) от содержания алюминия в смеси «Na3AlF6+3NaN3+хAl». С увеличением содержания алюминия до 8 молей наблюдается повышение температуры и скорости горения с 950 до 2100 °С и с 0,60 до 0,90 см/с соответственно, что удовлетворительно согласуется с результатами термодинамических расчетов адиабатической температуры (1269-2934 К) при малом содержании алюминия.
3000 2500 2000 1500 1000
500 0
-500
-2000
-3500
-5000
-6500
-8000 Содержание Al в смеси “(NH4)3AlF6+6NaN3+zAl”, моль
Адиабатическая температура горения, К Энтальпия продуктов реакциии, кДж
0 5 10 15 20
Рисунок 3 – Зависимость температуры и энтальпии продуктов реакции
от содержания алюминия в смеси «(NH4)3AlF6+3NaN3+zAl»
Адиабатическая температура горения, К
Адиабатическая температура горения, К
Энтальпия продуктов реакции, кДж
Энтальпия продуктов реакции, кДж Адиабатическая температура горения, К
Энтальпия продуктов реакции, кДж

Заметно меньшие значения экспериментально найденных температур при большом содержании алюминия объясняются большими теплопотерями из волны горения и разложением AlN при температурах выше 2200 оС.
2500 2,5 2000 2 1500 1,5 1000 1
500 0,5
00 012345678
Содержание Al в смеси “Na3AlF6+3NaN3+xAl”, моль
Температура горения, Тг, °С Скорость горения, Uг, см/с
3000 2,5
2500 2000 1500 1000
2 1,5 1 0,5
00 012345678
Содержание Al в смеси “K3AlF6+3NaN3+yAl”, моль
Температура горения, Тг, С Скорость горения, Uг, см/с
Рисунок 4 – Зависимость температуры (ТГ) и скорости горения (UГ) от содержания алюминия в смеси «Na3AlF6+3NaN3+xAl»
Рисунок 5 – Зависимость температуры (ТГ) и скорости горения (UГ) от содержания алюминия в смеси «K3AlF6+3NaN3+yAl»
При горении смеси «K3AlF6+3NaN3+yAl с увеличением добавки алюминия до 8 молей (рисунок 5) наблюдается повышение температуры и скорости горения с 830 до 2270 °С и с 0,40 до 1,40 см/с соответственно, что согласуется с результатами термодинамического анализа при невысоких температурах и заметно меньше при высоких температурах (1130-2700 К).
На рисунке 6 видно, что при горении смеси «(NH4)3AlF6+6NaN3+zAl» с увеличением добавки алюминия до 20 молей температура и скорость горения повышаются с 1310 до 2780 °С и с 0,80 до 1,40 см/с соответственно, что выше результатов термодинамических расчетов адиабатической температуры (1257-2857 К). Видимо, расчет по программе «Thermo» не очень точно описывает реакции при горении смеси «(NH4)3AlF6+6NaN3+zAl». Таким образом, состав смеси исходных компонентов оказывает большое влияние на температуру горения, максимальная температура наблюдается для смеси «(NH4)3AlF6+ 6NaN3+20Al», а минимальная для
3000 2,5
2500 2000 1500 1000
2 1,5 1 0,5
00 0 4 8 12 16 20
Содержание Al в смеси “(NH4)3AlF6+6NaN3+zAl”, моль
Температура горения, Тг, °С Скорость горения, Uг, см/с
Рисунок 6 – Зависимость температуры (ТГ) и скорости горения (UГ) от содержания
алюминия в смеси «(NH4)3AlF6+6NaN3+zAl»
Результаты рентгенофазового, микроструктурного и
смеси «(NH4)3AlF6+6NaN3». энергодисперсионного анализов промытых продуктов горения двойной смеси
Температура горения, , Тг, °С
Температура горения, Тг, С
Скорость горения, Uг, см/с
Скорость горения, Uг, см/с Температура горения,, Тг, С
Скорость горения, Uг, см/с

«Na3AlF6+3NaN3» без добавки алюминия свидетельствуют о том, что конечный продукт состоит из двух фаз: AlN – 65,0 масс. % и Na3AlF6 – 35,0 масс. %. При этом целевой продукт синтеза AlN представляет собой равноосные наночастицы размером от 80 до 100 нм, собранные в агломераты. При добавлении порошка Al и горении смеси «Na3AlF6+3NaN3+хAl», температура горения, скорость горения и выход целевого продукта AlN увеличиваются, а содержание примеси Na3AlF6 в продуктах горения уменьшается до значений: AlN – 83,5 масс. %, Na3AlF6 – 16,5 масс. % при х = 8 моль. Но при этом размер синтезируемых частиц AlN существенно возрастает, и в результате синтезируемый порошок нитрида алюминия переходит из категории наноразмерного в категорию субмикронного с размером частиц 120-400 нм.
Промытый продукт горения двойной смеси «K3AlF6+3NaN3» состоит из трех фаз: AlN – 21,0 масс. %, Na3AlF6 – 29,0 масс. % и Al2O3 – 50,0 масс. %. Присутствие оксида алюминия в продукте горения объясняется его наличием в составе исходной соли гексафторалюмината калия K3AlF6. При добавлении порошка Al и горении смеси «K3AlF6+3NaN3+yAl» температура горения, скорость горения и выход целевого продукта AlN увеличиваются, а содержание примесей Na3AlF6 и Al2O3 в конечном продукте уменьшается до значений: AlN – 44,0 масс. %, Na3AlF6 – 11,0 масс. %, Al2O3 – 45,0 масс. %, при y = 8 моль. При добавлении Al продукт синтеза представляет собой равноосные частицы размером 120-400 нм, объединенные в агломераты.
При использовании комплексной галоидной соли (NH4)3AlF6 состав синтезированного продукта сильно зависит от содержания энергетической добавки порошка Al в смеси «(NH4)3AlF6+6NaN3+zAl». В отсутствие добавки Al промытые продукты горения состоят из фаз: AlN – 39,0 масс. %, Na3AlF6 – 61,0 масс. %. и представляют собой агломераты равноосных наночастиц размером около 100 нм. При содержании Al в шихте в количестве 10 молей, продукт горения (AlN – 80,5 масс. %, Na3AlF6 – 19,5 масс. %) представляет собой субмикронные частицы с формой, близкой к сферической, и диаметром 200-400 нм. При увеличении содержания Al до 20 молей, нитрид алюминия (AlN – 95,0 масс.%, Na3AlF6 – 5,0 масс. %) синтезируется в виде субмикронных волокон диаметром 100-300 нм и длиной до 3 мкм.
Таким образом, использование галоидной соли (NH4)3AlF6 в азидном СВС позволяет получать субмикронный порошок нитрида алюминия чистотой до 95 масс.%, что значительно лучше, чем в случае солей Na3AlF6 и K3AlF6 (83,5 масс. % и 44,0 масс. % соответственно).
В пятой главе обсуждена химическая стадийность образования нитрида алюминия при горении в системах «алюмосодержащая галоидная соль – азид натрия – алюминий» для всех трех алюмосодержащих галоидных солей Na3AlF6, K3AlF6 и (NH4)3AlF6.
Для установления химической стадийности образования нитридных композиций в процессе горения была произведена закалка (остановка фронта горения) в интервале температур 600-700°С. Метод закалки СВС-волны
основан на резком сбросе давления азота в реакторе с 4 МПа до 0,1-0,2 МПа в процессе синтеза. После закалки был сделан рентгенофазовый анализ, который показал, что в результате резкой остановки фронта горения продукты синтеза состоят из смеси различных (в зависимости от температуры закалки) фаз. Какие газообразные продукты образуются в процессе горения, с помощью закалки и рентгенофазового анализа установить невозможно, но их можно определить, записав все промежуточные химические реакции взаимодействия веществ в процессе горения.
На основании полученных экспериментальных результатов построена химическая стадийность образования нитрида алюминия из смеси «Na3AlF6+3NaN3+8Al»:
Сначала при температуре 400 °C происходит разложение азида натрия: NaN3 → Na + 3N+. (4) Взаимодействие алюминия с азотом начинается при температуре 800 °С и
скорость процесса определяется скоростью диффузии азота через слой образовавшегося нитрида:
Al + N+ → AlN. (5)
Температура плавления гексафторалюмината натрия составляет 1000 °С (с разложением), следовательно при горении он будет разлагаться по реакциям:
Na3[AlF6] → 3Na+ + [AlF6]3–,
[AlF6]3–⇄ [AlF4]– + 2F–,
[AlF4]- → AlF3 + F–.
При реакции металлического натрия с фтором образуется фторид натрия: 3Na+ + 3F– → 3NaF. (9) При охлаждении продуктов горения в результате взаимодействия
фторидов натрия и алюминия происходит обратная реакция образования гексафторалюмината натрия (криолита):
3NaF + AlF3 → Na3AlF6. (10)
В этой реакции связывается лишь часть фторида натрия, который образовался из атомов натрия, возникших при разложении азида натрия и гексафторалюмината натрия по реакциям (4) и (6). В связи с этим в остывших продуктах горения присутствует и NaF.
Химическая стадийность образования нитрида алюминия из смеси «К3AlF6+3NaN3+8Al» выглядит следующим образом:
При температуре 400 °C происходит разложение азида натрия:
NaN3 → Na + 3N+. (11) Взаимодействие алюминия с азотом начинается при температуре 800 °С и
приводит к образованию нитрида алюминия:
Al + N+ → AlN. (12) Температура плавления гексафторалюмината калия составляет 997 °С,
следовательно при горении он будет разлагаться по реакциям:
K3[AlF6] → 3K+ + [AlF6]3–, [AlF6]3–⇄ [AlF4]– + 2F–,
(997 °C) (13) (выше 1000 °С) (14)
(1000 °C) (6) (выше 1000 °С) (7) (8)

[AlF4]- → AlF3 + F–.
При реакции металлического натрия с фтором образуется фторид натрия: 3Na+ + 3F– → 3NaF. (15) При взаимодействии калия с фтором образуется фторид калия:
3K+ + 3F– → 3KF. (16) При охлаждении продуктов горения в результате взаимодействия
фторидов натрия и алюминия происходит обратная реакция образования гексафторалюмината натрия (криолита) с частичным увязыванием NaF:
3NaF + AlF3 → Na3AlF6. (17)
Далее приведена химическая стадийность образования нитрида алюминия из смеси «(NH4)3AlF6+3NaN3+8Al»:
(NH4)3AlF6 → AlF3 + 3NH4F, (температура разложения 126 °С) (18) 2NH4F → NH4(HF2) + NH3↑, (температура разложения 167 °С) (19) Фторид аммония разлагается при температуре выше 238 °С:
NH4(HF2) → NH3↑ + 2HF↑. (20) При температуре 440°C происходит разложение азида натрия:
6NaN3 → 3Na + 9N+. (21)
При реакции металлического натрия с фтором образуется фторид натрия и выделяется водород:
2Na + 2HF → 2NaF + H2. (22)
Взаимодействие алюминия с азотом начинается при температуре 800 °С и приводит к образованию нитрида алюминия:
20Al + 8N+ → 8AlN. (23)
Алюминий также вступает в реакцию с аммиаком, образуя нитрид алюминия:
Al + NH3 → AlN + 1,5H2. (24)
Взаимодействие алюминия с аммиаком, в зависимости от чистоты и дисперсности порошка, начинается при 600-800 °С, выше 1000 °С степень азотирования достаточно велика.
При охлаждении продуктов горения в результате взаимодействия фторидов натрия и алюминия образуется галоидная соль гексафторалюмината натрия (криолита):
3NaF + AlF3 → Na3AlF6. (25)
Наличие побочной соли водонерастворимого криолита Na3AlF6 в конечном продукте азидного СВС с использованием всех трех солей (Na3AlF6, K3AlF6, (NH4)3AlF6,) значительно отличает экспериментально найденные составы продуктов горения от термодинамически рассчитанных теоретических составов конечных продуктов, в которых отсутствует соль Na3AlF6. Такое отличие может быть объяснено тем, что термодинамический расчет показывает состав продуктов горения при адиабатических температурах реакций, а рентгенофазовый анализ показывает состав остывших продуктов горения.
При нагревании гексафторалюминат аммония разлагается на трифторид алюминия с фторидом аммония:
Температура плавления криолита Na3AlF6 составляет 1000 °С (с разложением), поэтому при горении он разлагается по реакциям (6)-(8), что объясняет отсутствие криолита Na3AlF6 в продуктах горения согласно результатам термодинамических расчетов, так как адиабатические температуры значительно выше температуры плавления криолита. При охлаждении продуктов горения при температурах около 1000 °С в результате взаимодействия высокотемпературных продуктов горения будет происходить обратный процесс образования криолита.
Таким образом, предложенная химическая стадийность образования нитрида алюминия из исходных смесей с использованием солей Na3AlF6, K3AlF6, (NH4)3AlF6 в режиме горения позволяет объяснить различие результатов термодинамических расчетов и экспериментальных данных по составу продуктов горения.
В шестой главе представлены результаты изготовления литых алюмоматричных композитов, армированных нанопорошком нитрида алюминия состава AlN+35%Nа3АlF6 марки СВС-Аз. Экспериментально было исследовано три специальных метода ввода продукта AlN+35%Nа3АlF6 в расплав алюминия или его сплавов и получены следующие результаты с различным содержанием нанопорошка AlN, который удалось ввести в состав композитов. В первом методе использовалась нанопорошковая псевдолигатура состава Cu-4%(AlN+35%Nа3АlF6), полученная прессованием смеси порошка- носителя меди с нанопорошком AlN+35%Nа3АlF6, что позволило ввести 0,035% нитрида алюминия в расплав чистого алюминия и получить композиционный алюминиевый сплав Al-1,2%Cu-0,035%AlN. Во втором методе использовалась композиционная лигатура, полученная сплавлением флюса KCl·MgCl2 с нанопорошком AlN+35%Nа3АlF6, с помощью которой удалось ввести повышенное количество 0,1-1,0 % нанопорошка армирующей фазы в расплав сплава АМг6 и получить литые композиционные сплавы АМг6+0,1%AlN и АМг6+1,0%AlN. В третьем методе нанопорошок AlN+35%Nа3АlF6 вводился в твердожидкий расплав сплава АМ5, что позволило усвоить 1,0 % и 4,0 % AlN и получить литые композиционные алюминиевые сплавы АМ5-1%AlN и АМ5-4%AlN. Полученные литые алюмоматричные композиты, армированные наночастицами нитрида алюминия марки СВС-Аз, показали повышенные значения механических свойств (твердости, прочности при растяжении и относительного удлинения) по сравнению с матричными сплавами соответственно: на 36,0 35,0 и 14,0 % у композита Al-1,2%Cu- 0,035%AlN; на 25,0, 44,0 и 53,0 % у композита АМг6+1,0%AlN; на 22,8, 20,0 и 78,8 % у композита АМ5-4,0%AlN. При использовании всех трех методов соль криолита Nа3АlF6 выполняла функцию флюса при вводе нанопорошка AlN в расплав, самопроизвольно удалялась из расплава и в конечный состав алюмоматричных композитов не входила.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Впервые для получения высокодисперсного наноразмерного и субмикронного порошка нитрида алюминия по азидной технологии СВС в смесях исходных порошков «азид натрия – галоидная соль – алюминий» использованы три алюмосодержащие галоидные соли: Na3AlF6, K3AlF6 и (NH4)3AlF6. Для проведения исследований обоснованы составы исходных смесей при использовании каждой соли и составлены соответствующие уравнения реакций азидного СВС нитрида алюминия.
2. В результате термодинамических расчетов с применением компьютерной программы «Thermo» получены значения адиабатических температур реакций азидного СВС в пределах от 1130 до 2934 К, что свидетельствует о способности к самостоятельному горению выбранных составов исходных смесей при использовании всех алюмосодержащих галоидных солей Na3AlF6, K3AlF6 и (NH4)3AlF6. Равновесный состав продуктов всех реакций показывает полное образование целевого продукта — нитрида алюминия.
3. Экспериментально установлено, что при использовании каждой из трех галоидных солей порошок AlN синтезируется в наноразмерном виде (менее 100нм) только в двойных смесях «алюмосодержащий галогенид – азид натрия», то есть в отсутствие энергетической добавки порошка алюминия в исходной смеси порошков. Однако в этом случае промытые продукты горения содержат большое количество примеси водонерастворимой соли криолита Na3AlF6: 61 масс. % при использовании соли (NH4)3AlF6, 35 масс. % при использовании соли Na3AlF6, 29 масс. % при использовании соли K3AlF6 (вместе с примесью 50 масс. % Al2O3 в последнем случае, обусловленной наличием этой примеси Al2O3 в составе исходной соли K3AlF6).
4.Установлено, что в случае каждой из трех галоидных солей при добавлении порошка Al в исходную смесь «алюмосодержащий галогенид – азид натрия – алюминий» температуры горения и скорости горения увеличиваются, содержание примеси криолита Na3AlF6 в продуктах горения уменьшается, но размер синтезируемых при этом частиц AlN существенно возрастает, в результате чего синтезируемый порошок нитрида алюминия переходит из категории наноразмерного в категорию субмикронного с размером частиц от 100 до 400 нм. В ходе эксперимента выявлено, что использование галоидной соли (NH4)3AlF6 с максимальным содержанием энергетической добавки алюминия в исходной смеси позволяет получать субмикронный порошок нитрида алюминия чистотой 95 масс. %, что значительно лучше, чем при использовании солей Na3AlF6 и K3AlF6 с максимальным содержанием добавки алюминия, позволяющим синтезировать AlN чистотой 83,5 масс. % и 44,0 масс. %, соответственно.
5.Построена химическая стадийность образования нитрида алюминия при горении в системах «алюмосодержащая галоидная соль – азид натрия – алюминий». Для всех трех алюмосодержащих галоидных солей (Na3AlF6,
K3AlF6 и (NH4)3AlF6) выявлено значительное отличие найденных экспериментально составов продуктов горения, содержащих примесь соли криолита Na3AlF6, от теоретических составов согласно термодинамическому расчету, в которых отсутствует соль Na3AlF6. Это отличие объяснено тем, что термодинамический анализ показывает состав продуктов горения при адиабатических температурах горения, при которых криолит не может существовать, так как он разлагается при температурах выше 1000 оС, а рентгенофазовый анализ показывает состав остывших продуктов горения с образованием криолита из высокотемпературных продуктов горения при температурах ниже 1000 оС.
6. Впервые исследована возможность применения трех различных методов ввода синтезированных нанопорошков нитрида алюминия состава AlN+35%Nа3АlF6 в расплав алюминия и его сплавов для получения литых алюмоматричных композитов и определено максимально возможное содержание введенной армирующей фазы AlN в случае каждого метода: 0,035 масс. % при использовании нанопорошковой псевдолигатуры Cu-4%(AlN+35% Na3AlF6); 1,0 масс. % при использовании композиционной лигатуры, полученной сплавлением флюса KCl·MgCl2 с нанопорошком (AlN+35% Na3AlF6); 4,0 масс. % при введении AlN+35%Na3AlF6 в расплав в твердожидком состоянии. Показано, что соль криолита Na3AlF6 выполняет при вводе в расплав функцию флюса, удаляется из расплава и в конечный состав алюмоматричного композита не входит, не загрязняет его.
7. Выявлено, что полученные литые алюмоматричные композиты, армированные наночастицами нитрида алюминия марки СВС-Аз, имеют повышенные значения механических свойств (твердости, прочности при растяжении и относительного удлинения) по сравнению с матричными сплавами соответственно: на 36,0 35,0 и 14,0 % у композита Al-1,2%Cu- 0,035%AlN; на 25,0, 44,0 и 53,0 % у композита АМг6+1,0%AlN; на 22,8, 20,0 и 78,8 % у композита АМ5-4,0%AlN. Таким образом, синтезированные высокодисперсные порошки нитрида алюминия могут быть успешно использованы в качестве эффективных модификаторов литейных алюминиевых сплавов и армирующих фаз в дисперсно-упрочненных алюмоматричных композитах.