Способ получения нанодисперсных порошков нитрида бора и диборида титана

Изобретение относится к области получения нанодисперсных порошков неорганических материалов и соединений. Плазмохимические реакции инициируют импульсным микроволновым разрядом, воздействующим на исходные реагенты, в качестве которых используют смесь порошков титана и бора в атмосфере азота, при этом в качестве исходных реагентов используют порошок аморфного бора с размером частиц 1 мкм-100 мкм и порошок титана с размером частиц 1 мкм-100 мкм, причем используется микроволновой разряд мощностью от 50 кВт до 500 кВт и длительностью импульса от 100·10^-6 с до 100·10^-3 с, а рабочее давление азота составляет от 0,1 до 1 атмосферы. В результате протекания плазмохимических реакций совместно образуются два целевых продукта - нанодисперсные порошки диборида титана и нитрида бора различных форм и размеров. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области получения нанодисперсных порошков неорганических материалов и соединений, в частности к способу получения нанодисперсных порошков нитрида бора и диборида титана.

Известен способ получения нанодисперсного порошка диборида титана (например, US 4353885 А, 12.10.1982).

Известен способ получения нанодисперсного порошка нитрида бора (например, RU 2096315 С1, 20.11.1997 или JP 62152532 A, 07.07.1987).

Однако из уровня техники не известно ни одного способа совместного получения нанодисперсных порошков нитрида бора и диборида титана.

Задачей предлагаемого изобретения является создание неизвестного ранее способа получения нанодисперсных порошков нитрида бора и диборида титана.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в реализации способа получения нанодисперсных порошков нитрида бора и диборида титана в результате плазмохимических реакций исходных реагентов, характеризующегося тем, что плазмохимические реакции инициируют импульсным микроволновым разрядом, воздействующим на исходные реагенты, в качестве которых используют смесь порошков титана и бора в атмосфере азота.

В качестве исходных реагентов используют порошок аморфного бора с размером частиц от 1 мкм до 100 мкм и порошок титана с размером частиц по от 1 мкм до 100 мкм.

В смеси порошков содержится от 10% до 30% титана (от общего объема).

Используется микроволновой разряд мощностью от 50 кВт до 500 кВт и длительностью импульса от 100·10^-6 с до 100·10^-3 с.

Рабочее давление азота составляет от 0,1 до 1 атмосферы.

Фиг.1 - схема реактора.

Фиг.2 - микрофотография сферолитоподобных частиц, образованных диборидом титана.

Фиг.3 - рентгеновский спектр сферолитоподобных частиц, образованных диборидом титана.

Фиг.4 - электронная микрофотография столбчатых структур диборида титана.

Фиг.5 - электронная микрофотография сферолитоподобного образования диборида титана.

Фиг.6 - рамановская спектрограмма с линией нитрид бора, 1366 см^-1.

Фиг.7 - микрофотография сфероподобных образований нитрида бора.

Фиг.8 - рентгеновский спектр сфероподобных образований нитрида бора.

Способ осуществляется в реакторе. Схема реактора изображена на фиг.1. Торцы разрядной камеры закрыты кварцевыми пластинами, толщина которых пропорциональна λ₀m/2N (N - показатель преломления, m=0,1,2…, λ₀ - длина волны излучения в вакууме), что обеспечивает близкий к нулю коэффициент отражения. В боковые стенки вмонтированы два кварцевых окна для наблюдения свечения разряда. На нижнюю стенку реактора помещается тефлоновое кольцо (2), в которое вмонтирована тонкая кварцевая пластинка (3) и кварцевый цилиндр (1) высотой 40…80 мм. Азот поступает в реактор через нижний штуцер и отводится через верхний.

Способ осуществляется следующим образом. Сначала слой порошка толщиной 0,5…0,7 мм насыпают на кварцевую пластинку, причем слой порошка состоит из слоя бора, поверх которого насыпают порошок смеси титана с бором. Порошки послойно уплотняют придавливанием плоской кварцевой пластинкой. Используют порошок аморфного бора с размером частиц 1 мкм-100 мкм и порошок титана с размером частиц 1 мкм-100 мкм. Верхняя поверхность порошка остается открытой, что обеспечивает свободный газодинамический разлет продуктов реакций и движение нагретого газа в объем кварцевого цилиндра.

Затем воздействуют импульсным микроволновым разрядом на смесь порошков металл-полупроводник или металл-диэлектрик. Импульсный микроволновый разряд мощностью от 50 кВт до 500 кВт и длительностью импульса от 100·10^-6 с до 100·10^-3 с генерируют гиротроном. Пучок микроволн пронизывает весь объем реактора и поглощается в керамических поглотителях, расположенных на удалении 60 см от верхнего окна реактора.

При протекании инициированного микроволновой мощностью разряда температура вблизи поверхности смеси порошков составляет 5000 K и достаточна для испарения исходных реагентов с образованием высокоплотной плазмы и продуктов плазмохимических реакций. Температура газовой фазы составляет не менее 1000 K и достаточна для синтеза нитрида бора и модификации кристаллической структуры диборида титана.

Важную роль играет разогрев смеси за счет реакции синтеза диборида титана и протекание последней и после окончания импульса как в порошковой смеси, так и газовой фазе объема реактора.

Способ осуществляют в атмосфере технического азота (чистота 99%), рабочее давление азота составляет от 0,1 атмосферы до 1 атмосферы.

Реакции синтеза нитрида бора и диборида титана происходят в объеме реактора с осаждением продуктов реакции как на стенках кварцевого цилиндра, так и на остальных участках реактора, включая верхнюю кварцевую пластину и верхний штуцер, через который прокачивают азот.

После окончания реакций отбирают пробы испарившегося и осевшего на стенках реактора вещества и производят анализ его состава и структуры.

По данным рентгенофазового анализа полученные образцы, напыленные как в верхней, так и в нижней части реактора, имеют сложный фазовый состав. Основной фазой в них является диборид титана TiB₂ (гексагональный, а=3,03 Å, b=3,23 Å, пр. гр. Р6/mmm). При этом фаза TiB₂ обнаружена в сферолитоподобных частицах микронных размеров (фиг.2 и 3).

Сферолитоподобные частицы диборида титана сформированы из частиц наноструктурных размеров, что иллюстрируются электронными микрофотографиями на фиг.4 и 5.

В меньшем количестве в образцах содержится гексагональный нитрид бора. Его образование установлено также спектроскопическими методами. На фиг.6 приведена спектрограмма, полученная методом рамановской спектроскопии в выделенном интервале длин волн. На ней видна яркая линия, соответствующая характерной длине волны для молекулы нитрида бора с гексагональной кристаллической структурой. Нитрид бора зарегистрирован и в осадке на стенках выходного штуцера реактора. На фиг.7 показана электронная микрофотография сфероподобного образования, размер которого составляет сотни нанометров. Как видно из приведенного спектра, основную массу частицы составляет нитрид бора.

Кроме указанных выше фаз, в синтезированных порошках присутствуют также кубическая модификация оксида бора В₂О₃ и небольшие количества непрореагировавшего металлического титана.

Таким образом, исследования показали, что в результате протекания плазмохимических реакций образуются два целевых продукта - нанодисперсные порошки диборида титана и нитрида бора различных форм и масштабов.

1. Способ получения нанодисперсных порошков нитрида бора и диборида титана в результате плазмохимических реакций исходных реагентов, характеризующийся тем, что плазмохимические реакции инициируют импульсным микроволновым разрядом в контакте металл-полупроводник или металл-диэлектрик, воздействующим на исходные реагенты, в качестве которых используют смесь порошков титана и бора в атмосфере азота, при этом в качестве исходных реагентов используют порошок аморфного бора с размером частиц 1 мкм - 100 мкм и порошок титана с размером частиц 1 мкм - 100 мкм, причем используется микроволновой разряд мощностью от 50 кВт до 500 кВт и длительностью импульса от 100·10^-6 с до 100·10^-3 с, а рабочее давление азота составляет от 0,1 до 1 атмосферы.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в смеси порошков содержится от 10% до 30% титана (по объему).