Моделирование процесса образования нанопорошков из тройных систем "элемент – галоидная соль – азид натрия" в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза на примере нитрида кремния
Построение математической модели образования нанопорошка нитрида кремния из предложенной тройной системы для количественной оценки выхода целевого продукта в процессе его высокотемпературного синтеза. Уравнения экзотермических химических реакций.
| Рубрика | Химия |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 08.06.2018 |
| Размер файла | 312,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Моделирование процесса образования нанопорошков из тройных систем "элемент - галоидная соль - азид натрия" в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза на примере нитрида кремния
Губанов Сергей Игоревич,
магистрант ФГБОУ ВО "СамГТУ", Россия, г. Самара,
E-mail: gubanov0393@gmail.com,
Научный руководитель: Титова Юлия Владимировна, к.т.н.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) - технологический процесс получения материалов, основанный на проведении экзотермической химической реакции взаимодействия исходных реагентов в форме горения. Однако СВС является очень сложным физико-химическим процессом и его протекание зависит от многих факторов: теплового эффекта реакции, состава исходной смеси порошков, размера их частиц, плотности, размера и температуры образцов, состава и давления окружающего газа и др. [1].
Чтобы получить желаемый продукт высокого качества, необходимо глубоко знать процесс СВС и уметь управлять им. Для этого необходимо понимать механизм протекания СВС-реакций и влияние на него различных параметров.
В данной работе предлагается построить математическую модель образования нанопорошка нитрида кремния из тройной системы "элемент - галоидная соль - азид натрия" для количественной оценки выхода целевого продукта.
Для построения математической модели образования нитрида кремния из системы "кремний - гексафторсиликат аммония - азид натрия" был проведён синтез Si3N4 в лабораторном ректоре СВС постоянного давления по уравнениям химических реакций:
5Si + 6NaN3 + (NH4)2SiF6 = 2Si3N4 + 6NaF + 4H2 + 6N2, (1)
8Si + 6NaN3 + (NH4)2SiF6 = 3Si3N4 + 6NaF + 4H2 + 4N2, (2)
11Si + 6NaN3 + (NH4)2SiF6 = 4Si3N4 + 6NaF + 4H2. (3)
Фазовый состав продуктов синтеза определяли на автоматизированном рентгеновском дифрактометре ARL X'TRA фирмы "Termo Sсientisic". Съемку рентгеновских спектров проводили с помощью Cu-излучения при непрерывном сканировании в интервале углов 2и от 20 до 80 градусов со скоростью 2 град/мин [2]. Полученные спектры обрабатывали с помощью специального пакета прикладных программ WinXRD. На рисунке 1 представлены рентгенограммы продуктов горения смеси "11Si + 6NaN3 + (NH4)2SiF6" до и после операции промывки в дистиллированной воде.
Продукты горения системы "11Si + 6NaN3 + (NH4)2SiF6" состоят из нитрида кремния (б-Si3N4 и вSi3N4) и фторида натрия (NaF). Таким образом, при горении данной смеси удается получить целевой продукт (Si3N4) высокой степени чистоты, что подтверждается рентгенограммой на рисунке 1 б), причем образуется преимущественно в-Si3N4.
а)
б)
Рисунок 1 - Рентгенограмма продуктов горения смеси "11Si + 6NaN3 + (NH4)2SiF6": а) до операции промывки; б) после операции промывки
Из представленных рентгенограмм видно, что СВС-реакция прошла и все исходные компоненты полностью прореагировали. Тогда есть возможность расчета количества целевого продукта (Si3N4) в СВС продукте. Изменяя состав исходной шихты, мы можем получить различное соотношение продуктов реакции, а на полученных рентгенограммах можно измерить высоту пика необходимого нам продукта (таблица 1).
Таблица 1 - Зависимость высоты пика от количества продуктов СВС реакции
|
Содержание Si в исходной смеси, моль |
Интенсивность линий Si3N4 на рентгенограмме, имп |
Интенсивность линий NaF на рентгенограмме, имп |
|
|
5 |
1000 |
800 |
|
|
8 |
800 |
1150 |
|
|
11 |
400 |
2000 |
На основании опытных данных построим график зависимости выхода фторида натрия от высоты пика на рентгенограмме рисунок 2.
Из графика видно, что мы имеем линейную зависимость выхода побочного продукта от высоты пика по формуле:
y = k * x. (4)
Рисунок 2 - Зависимость выхода NaF от высоты пика на рентгенограмме
Если взять произвольную точку и провести касательные к ней, рисунок 3, можно сделать вывод, что высота пика будет находиться в следующей зависимости: математическая высокотемпературный синтез нанопорошок
I = k * mNaF. (5)
Рисунок 3 - Зависимость выхода NaF от высоты пика на рентгенограмме
Тогда коэффициент k будет находиться по следующей формуле:
k = tgб = 1000 / 6 = 166. (6)
Следовательно, зная высоту пика, можно оценить mNaF в смеси разделив её на 166.
mNaF = 1 / 166 = 6 г (7)
Рисунок 4 - Зависимость выхода Si3N4 от высоты пика на рентгенограмме
Из графика видно, что мы имеем экспоненциальную зависимость выхода целевого продукта от высоты пика по формуле:
y = k * x. (8)
Можем преобразовать формулу под нашу зависимость и получим:
I = k * mSi3N4. (9)
Поставим произвольную точку и проведём к ней касательные, рисунок 5.
Рисунок 6 - Зависимость выхода Si3N4 от высоты пика на рентгенограмме
Тогда коэффициент k будет находиться по следующей формуле:
k = tgб = 400 / 11 = 36. (10)
Следовательно, зная высоту пика, можно оценить mSi3N4 в смеси разделив её на 36.
mSi3N4 = 1 / 36 = 11 г (11)
Подобная модель вполне может быть использована при анализе рентгенограмм для количественной оценки выхода целевого продукта, погрешность данных измерений составляет порядка ± 1 грамм.
Библиографический список
1. Амосов, А.П. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов [Текст]: Учеб. пособие / А.П. Амосов, И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов; Под научной редакцией В.Н. Анциферова. - М.: Машиностроение-1, 2007. - 567 с.
2. Горелик, С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ [Текст]/ С.С. Горелик, Ю.А. Скаков, Л.Н. Расторгуев. - М.: МИСИС, 1994. - 128 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Распространение волны твердопламенного горения в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Химический фазовый состав продуктов СВС, их вторичная технологическая переработка. Характеристика реакторов, используемых для синтеза.
реферат [39,7 K], добавлен 12.12.2011Прямое азотирование кремния. Процессы осаждения из газовой фазы. Плазмохимическое осаждение и реактивное распыление. Структура тонких пленок нитрида кремния. Влияние поверхности подложки на состав, структуру и морфологию осаждаемых слоев нитрида кремния.
курсовая работа [985,1 K], добавлен 03.12.2014Знакомство с основными особенностями влияния предварительной механической активации на процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Общая характеристика распространенных методов механической активации, рассмотрение сфер использования.
презентация [837,6 K], добавлен 29.02.2016Исследование свойств аммиака как нитрида водорода, бесцветного газа с резким запахом и изучение физико-химических основ его синтеза. Определение активности катализатора синтеза аммиака, расчет материального и теплового баланса цикла синтеза аммиака.
курсовая работа [267,4 K], добавлен 27.07.2011Обзор руднотермических печей, применяемых при производстве кремния. Пересчет химического состава сырья и углеродистых восстановителей, применяемых при производстве кремния в мольные количества химических элементов с учетом загрузочных коэффициентов.
курсовая работа [516,0 K], добавлен 12.04.2015Сущность технологического процесса промышленного синтеза аммиака на установке 600 т/сутки. Анализ зависимости выхода аммиака от температуры, давления и времени контактирования газовой смеси. Оптимизация химико-технологического процесса синтеза аммиака.
курсовая работа [963,0 K], добавлен 24.10.2011Кремний — элемент главной подгруппы четвертой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева; распространение в природе. Разновидности минералов на основе оксида кремния. Области применения соединений кремния; стекло.
презентация [7,3 M], добавлен 16.05.2011Экспериментальное синтезирование полифенилсилоксана. Анализ мононатровой и тринатровой соли фенилтригидроксисилана на натрий. Исследование взаимодействия поликобальтфенилсилоксана с фенилсилантриолятом натрия. Определение кремния гравиметрическим методом.
реферат [552,4 K], добавлен 16.03.2011Анализ реакции синтеза этиламина, характеристика и свойства вещества. Расчёт расходных теоретических и практических коэффициентов. Материальный баланс синтеза целевого продукта и его тепловой баланс. Порядок реакции и технологическая схема процесса.
курсовая работа [720,2 K], добавлен 25.01.2011Второй по распространенности (после кислорода) элемент земной коры. Простое вещество и элемент кремний. Соединения кремния. Области применения соединений кремния. Кремнийорганические соединения. Кремниевая жизнь.
реферат [186,0 K], добавлен 14.08.2007Проведение синтеза гликозидов в условиях межфазного катализа глюкозаминидов пиразолоизохинолинов. Наблюдение образования O-D-2-ацетамидо-2-дезоксиглюкопиранозидов пиразолоизохинолинов в межфазном процессе синтеза. Получение нового N-бета-глюкозаминида.
дипломная работа [962,4 K], добавлен 17.06.2014Строение атома кремния, его основные химические и физические свойства. Распространение силикатов и кремнезема в природе, использование кристаллов кварца в промышленности. Методы получения чистого и особо чистого кремния для полупроводниковой техники.
реферат [243,5 K], добавлен 25.12.2014Азотистоводородная кислота и строение азидной группы. Получение чистого азота и щелочных металлов. Способы синтеза азида натрия. Применение в взрывотехнике, изготовление первичных ВВ (азида свинца). Получение азида натрия из гидразина и его солей.
реферат [344,1 K], добавлен 02.05.2015Изучение метода синтеза соединений с простой эфирной связью, меркаптанов и аминов. Исследование реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения. Анализ условий синтеза меркаптанов из хлорпроизводных. Технология жидкофазного синтеза. Реакционные узлы.
презентация [137,2 K], добавлен 23.10.2014Методы построения кинетических моделей гомогенных химических реакций. Исследование влияния температуры на выход продуктов и степень превращения. Рекомендации по условиям проведения реакций с целью получения максимального выхода целевых продуктов.
лабораторная работа [357,5 K], добавлен 19.12.2016Сплавы кремния с никелем, их свойства и промышленное применение. Термодинамическое моделирование свойств твердых металлических растворов. Теория "регулярных" растворов. Термодинамические функции образования интерметаллидов. Расчет активностей компонентов.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 13.03.2011Тепловые эффекты химических реакций, а также основные факторы, влияющие на их динамику. Закон Гесса: понятие и содержание, сферы практического применения. Энтропия системы и анализ уравнения Больцмана. Направления химических реакций и энергия Гиббса.
лекция [34,1 K], добавлен 13.02.2015Общая характеристика нитропроизводных мочевины. Исследования реакций взаимодействия ди(метилтио)нитримина с нуклеофильными реагентами. Основы синтеза исходных соединений. Изучение снитарно-гигиенических характеристик процесса, пожарной профилактики.
дипломная работа [859,1 K], добавлен 11.04.2015Соль Мора - неорганическое соединение, соль закиси железа и аммония двойная сернокислая. Биография Карла Фридриха Мора, история открытия данного вещества. Синтез соли Мора, расчёт исходных веществ с учётом выхода, проведение качественных реакций.
курсовая работа [33,1 K], добавлен 22.03.2012Роль скорости химических реакций, образования и расходования компонентов. Кинетика химических реакций. Зависимость скорости реакции от концентрации исходных веществ. Скорость расходования исходных веществ и образования продуктов. Закон действующих масс.
реферат [275,9 K], добавлен 26.10.2008
