Шихта для получения порошков кубического нитрида бора

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНтР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОИ СОБСТВЕННОСТИ(54) ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ КУБИЧЕСКОГ О НИТРИДА БОРА(71) Заявители Институт физики твердо(72) Авторы Гамеза Людмила МихайловнаРусакевич Михаил Иванович Старовойтов Александр Семенович Зайцев Валентин Алексеевич Горлач Алек го тела и полупроводников НАНБ Республиканское алмазообрабатывающее унитарное предприятие ГомелЬское ПО Кристалл (ВУ)сандр Григорьевич Кузнецов Владимир Витальевич Потапенко Владимир Иванович Бутко Александр Дмитриевич Хомич Павел Михайлович Марченко Николай Алексеевич (ВУ)(73) Патентообладатели Институт физики твердого тела и полупроводников НАНБ Республиканское алмазообрабатывающее унитарное предприятие ГомелЬское ПО Кристалл (ВУ)(57) Шихта для получения порошков кубического нитрида бора, содержащая, мас.фторид лития 5,0-25,0 азид натрия 5,0-25,0 поливиниловый спирт 0,1-2,5 графитоподобный нитрид бора остальное.Изобретение относится к технологии получения абразивных материалов, а более конкретно, к области получения порошков кубического нитрид бора.Известна щихта для получения порощка кубического нитрида бора, содержащая в качестве катализатора Ы 3 ВЫ 2 в смеси с 30 мол тугоплавких оксидов и 20 мол бора 1.Известна щихта для получения порощка кубического нитрида бора, содержащая графитоподобный нитрид бора, нитриды либо боронитриды щелочных или щелочноземелЬных металлов и фториды щелочных или щелочноземелЬных металлов 2.Известна также щихта, содержащая карбиды, боронитриды, имиды щелочных и щелочноземелЬных металлов и графитоподобный нитрид бора для получения кубического нитрида бора 2.Известна щихта для получения порощка кубического нитрида бора, содержащая графитоподобный нитрид бора, нитриды либо боронитриды щелочных или щелочноземелЬных металлов и фториды щелочных или щелочноземелЬных металлов 3.Для получения порошка кубического нитрида бора синтез производится в две стадии сначала готовят Катализатор при 1000 С, а затем только ведут синтез в течение 10 мин при высоких Р и Т. Это удорожает производство кубического нитрида бора.Шихта по патенту США 3 является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату решением и выбрана в качестве прототипа и базового объекта.Общими существенными признаками прототипа и заявляемого решения является то,что в состав шихты входит фтористое соединение, нитрид щелочного или щелочноземельного металла и графитоподобный нитрид бора, а шихту подвергают воздействию вь 1 сокого давления и температуры в области стабильности кубического нитрида бора.Однако шихта по патенту 3 для получения абразивных порошков кубического нитрида бора является не технологичной, поскольку необходимо вначале приготовить катализатор в виде фторонитрида, а только потом его можно использовать для синтеза.Задача, решаемая данным изобретением, имеет в виду повышение производительности при сокращении операции предварительного получения фторонитридов.В заявленной шихте для получения порошков кубического нитрида бора берут смесь порошков графитоподобного нитрида бора, фторида лития, азида натрия и добавляют в нее порошок поливинилового спирта (размеры зерен используемых порошков не превь 1 шают 100 мкм). Соединения фторида лития, азида натрия и поливинилового спирта весьма стойки и могут длительное время храниться без окисления и разложения в обь 1 кновенных стеклянных или полиэтиленовых банках с крышками, а в смеси с графитоподобным нитридом бора их хранят сколь угодно долго.Для получения порошков кубического нитрида бора смесь подвергают воздействию высокого давления и температуры, соответствующих области стабильности кубического нитрида бора в течение времени, не превышающем трех минут. Согласно изобретению,фторид лития, азид натрия и поливиниловый спирт берут при следующих соотношениях компонентов в мас. фторид лития - 5,0-25,0 азид натрия - 5,0-25,0 поливиниловый спирт - 0,1-5,0 графитоподобный нитрид бора - остальное, а процесс получения порошков ведут при давлениях и температурах, соответствующих области стабильности кубического нитрида бора.Сущность изобретения заключается в следующем. Предлагаемую шихту используют для получения порошков кубического нитрида бора. Согласно существующим представлениям о механизме образования и роста кристаллов КНБ, последние образуются и растут из эвтектического расплава типа ВЫ- Ы 3 ВМ 2 (если в качестве катализатора используется литий) 1. Использование фторида лития позволяет снизить давление и температуру, при которых начинается процесс спонтанного зарождения и роста кристаллов КНБ, а, следовательно, при тех же параметрах, что и при использовании щелочных и щелочноземельнь 1 х металлов и их нитридов, получаются большие пересыщения, что способствует образованию большого количества мелких кристалликов. Введение в шихту дополнительно в качестве наполнителя азида натрия способствует образованию флюидной жидкости, которая снижает поверхностное натяжение расплава, вследствие чего в свою очередь значительно снижается работа образования критических зародышей. Поливиниловый спирт является источником водорода, углерода и азота. При разложении в процессе синтеза поливинилового спирта водород еще более увеличивает подвижность расплава и создает дополнительное давление. Кристаллики кубического нитрида бора, выросшие в присутствии водорода, как правило, имеют гладкие и блестящие грани. Дефектность таких кристаллов уменьшается, а углерод, освобождаемый при разложении поливинилового спирта,входит в решетку кубического нитрида бора, образуя твердый раствор и повышая прочность кристаллов. Получаемые порошки, как правило, прозрачны и обладают светложелтой или светло-коричневой окраской, свидетельствующей о высокой степени стехиометрического состава, а также в достаточной степени обладают изометрической формой(1,1-1,3). Таким образом, синтез порошков кубического нитрида бора в данном случае происходит в течение времени, не превышающем 3 мин, в то время как в патентах США и Японии говорится о времени синтеза не менее 10 мин.Содержание в шихте фторида лития в количестве менее 5,0 мас. обусловливает незначительный процент превращения графитоподобного нитрида бора в кубический, а содержание его свыше 25,0 мас. увеличивает вероятность разгерметизации реакционного объема вследствие образования значительных количеств жидких и газообразных соединений.Содержание в шихте азида натрия в количестве менее 5,0 мас. не оказывает должного эффекта на выход и качество получаемых порошков КНБ, так как малое количество азота, поставляемое азидом, не улучшает стехиометрию кристаллических порошков КНБ(очень часто можно наблюдать в этом случае появление кристаллов с темной окраской), а содержание его свыше 25 мас. приводит к образованию газообразной фазы, способствующей разгерметизации контейнера.Введение в шихту поливинилового спирта в количестве менее 0,1 мас. не оказывает существенного влияния на выход и качество порошков кубического нитрида бора, а содержание его более 5,0 мас. приводит к разгерметизации контейнера вследствие образования большого количества газовой фазы.Наилучший эффект наблюдается в том случае, когда фторид лития и азид натрия находятся в шихте в количестве 5-25 мас. в соотношении 11 или близком к нему. В этом случае выход кубической фазы наибольший, а при добавлении 0,1-2,5 мас. поливинилового спирта улучшается огранка кристаллов и они имеют форму, наиболее приближенную к изометрической.Предлагаемое решение осуществляется следующим образом. Из указанных порошков катализатора, наполнителей и графитоподобного нитрида бора готовят шихту, соотношение компонентов которой указано в формуле изобретения. После тщательного перемешивания шихты прессуют таблетки цилиндрической формы, которые помещают в графитовый нагреватель, расположенный в свою очередь в контейнере, изготовленном из карбоната кальция. Контейнер с реакционной таблеткой устанавливают затем в центральном углублении матриц устройства высокого давления и для получения порошков кубического нитрида бора подвергают воздействию давлений и температур, соответствующих области термодинамической стабильности кубического нитрида бора в течение времени,как правило, не более 3-х мин, а преимущественно в течение одной минуты. Затем температуру снижают до комнатной, а давление - до атмосферного. Фракционный состав синтезированных порошков кубического нитрида бора определяют с помощью оптического и электронного микроскопов.Изобретение иллюстрируется следующими примерами.Готовят смесь, состоящую из графитоподобного нитрида бора (58 мас. ), фторида лития (20 мас. ), азида натрия (20 мас. ), поливинилового спирта (2 мас. ), которую тщательно перемешивают в банке, помещенной в смеситель со смещенной осью. Затем смесь прессуют в цилиндрические таблетки. Спрессованную заготовку помещают в графитовый нагреватель, находящийся в контейнере из карбоната кальция, по торцам которого располагают нагревательные элементы из смеси графита и карбоната кальция. Контейнер с реакционной таблеткой устанавливают в центральном углублении твердосплавных матриц аппарата высокого давления и подвергают воздействию давления и температуры,соответствующих области термодинамической стабильности кубического нитрида бора, и выдержке в течение 1 мин. После этого нагрев прекращают, давление в камере снижают до атмосферного и извлекают спек, который обрабатывают затем с целью выделения кубического нитрида бора любым из известных способов. Затем производят анализ фракционного состава с помощью электронного и оптического микроскопов. Общий выход по ВУ 6344 Срошка КНБ составил 420 мг, а содержание основной фракции порошков размером 1,020,0 МКМ составило 70 . Из данных примера видно, что применение шихты заявляемого состава позволяет уменьшить время синтеза по сравнению с прототипом с 10 мин до 13 мин, т.е. в 3-10 раз, выход порошков увеличивается с 200 мг до 420 мг, а выход более Крупных (свыше 20,0 мкм) фракций увеличивается с 15 до 25 .Ниже в таблице приведены другие примеры использования предлагаемой шихты, полученные в результате опытов, проведенных согласно известному и заявляемому способам.Меде Содержа- зержание М Ы Содержание Выход Содержание ОПЫ Нив Вы , мас. Содержание а 3, поливини- порошка фракции 1 О тов мас. ИЛТЕЗЧО Мас ЛОП)р КНБ, мг 20,0 мкм, Известная шихта 1 50 200 85 2 50 - 50(СаС 2 ЫЫН 2) - 250 50 Заявляемая шихта 3 45 50 4 200 60 5 250 62 6 270 65 7 290 68 8 420 75 9 360 72 10 370 75 1 1 разгерметизация 12 разгерметизацияОптимальный вариант, как видно из вышеприведенных примеров, состоит в добавлении поливинилового спирта в шихту от 0,1 до 5,0 мас. . Использование заявляемой шихты, состоящей из фторсодержашего соединения - фторида лития, азотсодержашего - азида натрия, водородсодержашего - поливинилового спирта, во-первых, позволяет увеличить выход синтезируемых порошков кубического нитрида бора за одно пресс-спекание с 200300 мг до 200-420 мг, во-вторых, выход более крупных фракций порошков увеличивается с 15 (пример 1) до 40 (пример 8), в-третьих, время синтеза уменьшается с 10-30 мин до 1-3 мин.Оптимальный вариант, как видим, соответствует условиям, приведенным в примере Не 8 таблицы. Из примеров 11 и 12 следует, что вероятность разрушения контейнера увеличивается по мере возрастания содержания газообразуюших добавок, поэтому дальнейшее увеличение содержания фторида лития и азида натрия свыше 25 мас. , а поливинилового спирта свыше 2,5 мас. , не представляется целесообразным.Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.