Thermodynamics av Gasa-Fast Reaktion under HIPing Villkorar

Ellingham diagram är mycket kraftiga arrangerar gradvis diagram för att utvärdera equilibrium arrangerar gradvis under gasa-fasta reaktioner. De arrangerar gradvis diagram fördjupas till higher pressar för att undersöka stall arrangerar gradvis under kickslutsumma gasar pressar. Variablerna under övervägande består inte endast av temperatur, och partiskt pressa av en gasa som gäller de kemiska reaktionerna, men räkna samman också, gasar pressar. Dessa nya arrangerar gradvis diagram appliceras för att förutsäga att stall arrangerar gradvis under hoat isostatic tränga villkorar (HÖFTEN arrangerar gradvis diagrammet). Silikonnitriden som sintrar, den aluminium nitriden som sintrar, toppna ledare för oxid som sintrar, och smältning för borosilicateexponeringsglas diskuterades, som exempel av HÖFTEN arrangerar gradvis diagrammet.

Arrangera Gradvis Diagrammet, Keramik som Sintrar, det Ellingham Diagrammet, Gasa Pressar, Gasa-Fast Reaktion

Thermodynamics kan ge viktiga kriterier för tekniska problem. Att bearbeta för Material gäller många invecklade reaktioner. Därför gasar thermodynamics i material som det är viktigt att iscensätta, speciellt keramik som bearbetar under kick, pressar. Det finns många obesvarat ifrågasätter i HÖFT bearbetar för keramik. Till exempel därför HIPed keramik har olikt, färgar ibland. Normalt är Ellingham diagram den ansedda vilden till slutsumman gasar pressar. Författarna, beskriver emellertid en generaliserad metod för att använda Ellingham diagram under kick gasar pressar (HÖFTEN arrangerar gradvis diagrammet), för att svara dessa ifrågasätter av gasa-fasta kemiska reaktioner under kick gasar pressar.

Sintra är problem av silikonnitriden främst oxiden arrangerar gradvis och kolimpurityen. Uppförandet av kol utforskades som en impurity av HÖFTEN sintrade silikonnitriden. Kol täckte silikonnitridepartiklar var blandade med partiklar för kol fritt på ett givet förhållande att kontrollera kolet proportionerar, och de blandade partiklarna sintrades av den processaa exponeringsglas capsuled HÖFTEN såväl som hoade pressande. Resultaten för kol tillfredsställer, når de har sintrat, visas i Fig.1 för silikonnitride pudrar kol kontaminerad upp till 4000 ppm [1]. Kol tillfredsställer ändrande lite av HÖFTEN som sintrar, å andra sidan, kol som minskas till en konstant, värderar nästan för hoat pressande tar prov. SiC fanns, i hoat pressande, tar prov, men grafiten i HIPed tar prov [2].

Figs. 2 (a), (b) och delar för show (c) av HÖFTEN arrangerar gradvis diagrammet för oxidationen av den silikon-, kol- och silikoncarbiden på (a) MPa 0,1, (b) 60 och (c) 200. Det partiskt pressar av syre i närvaroen av kolflyttningar längs 2C + Nollan₂ = 2CO fodrar. Detta fodrar skär med SiC + Nollan₂ = SiO₂ + C fodrar på pekar P. I regionen, var det partiska syret pressar är högre, än de av peka P, och Q, SiC, CO och SiO₂ är stabila. Temperaturen på pekar P-förhöjning från 1600 till 2150, och 2350 K, som slutsumman gasar, pressar ökande. I hoat tränga bearbetar, pressar gasa är omkring 0,1 MPa, och hence regionen, var koloxid är stabil (regionen ovanför 2C + Nollan₂ = 2CO fodrar) är bred. Kol oxideras för att bilda koloxid, och antalet av sammanlagt kol förminskas, och silikoncarbiden bildas under sintra. Å andra sidan har sintra för HÖFT som är processaa, en mer bred stabil kolregion. Därför pudrar kolet som tillfogas till den starta silikonnitriden, är stabilt som heltäckande arrangerar gradvis kol, dvs., grafit.

En måste att betala särskild uppmärksamhet, som reaktionen, 2C + Nolla₂ = 2CO har en grad av frihet mer än det normala att gasa (syre) - fasta reaktioner. Arrangera gradvis, och att inte bilda arrangerar gradvis another, Därför Att oxiden CO är en gasa. Denna är resonera därför kol kan reagera oväntat under villkorar nästan any.

Figurera 1. Kolbelopp av sintrad silikonnitride. HÖFT A: Den behandlade HÖFTEN tar prov på 1823 K och 60 MPa för 1 H, HÖFT B: Den behandlade HÖFTEN tar prov på 1973 K och 60 MPa för 1 H, HP: hoat pressande ta prov på MPa 1873 K och 20 för 1 H.

Figurera 2. Delar av HÖFTEN arrangerar gradvis diagrammet på (a) MPa 0,1, (b) 60 och (c) 200

Den Aluminium nitriden har utmärkta termiska och mekaniska propertiers. Minskningen AlN för termisk conductivity vid impurities liksom syre, silikon, stryker och magnesium [3]. Speciellt bildar syreatoms en oxynitridespinel arrangerar gradvis, och/eller en pseudo-polytypeAlN arrangerar gradvis som förminskar väldeliga den termiska conductivityen av sintrade AlN [4]. Därför är det viktigt att förstå syreuppförandet för att utvärdera den termiska conductivityen.

AlN pudrar med 1 mol% YO₂₃ pudrar sintrades av HÖFTEN och det normalapannan. Fig.3 visar att syret tillfredsställer av sintrade AlN på olika sintra temperaturer [5]. Syret tillfredsställer av HIPed tar prov är nästan konstant. Å andra sidan tillfredsställer syret av som sintras normalt, tar prov linjärt minskning som den sintra temperaturförhöjningen.

Det förväntade syret tillfredsställer, som påverkan AlN den termiska conductivityen, utvärderas, genom att använda HÖFTEN, arrangerar gradvis diagrammet för oxidationreaktionerna av kol, det släkta materiellt och AlN. Betrakta reaktionen pressar 2C +₂ Nollan = 2CO i en grafitpanna för det normala som sintrar, det partiska syret, antas för att vara längs en fodra som motsvarar till denna reaktion. Det antas att syreatoms finns, som AlO₂₃ på partikeln ytbehandlar av AlN pudrar.

För det normala som efter sintrar med kolvärmeapparaten reaktionen

     2/3AlO₂₃ +2/3N₂ + 2C = 4/3AlN + 2CO (1)

kan fortsätta. En Annan reaktion kan vara ansedd.

     2/3YO₂₃ +2/3N₂ + 2C = 4/3YN + 2CO (2)

Fig.4 visar att en del av HÖFTEN arrangerar gradvis diagram [5]. Reaktioner på det normala pressar konspireras av streckat fodrar, och de på 60 som MPa av slutsumman pressar, konspireras av spärrlinjer. Att Betrakta av likställande (1) och (2) för den normalt sintrade AlNen, syret tillfredsställer av tar prov kunde minskas. Yttriumnitriden bör produceras av likställande (2) når du har sintrat på runt om peka R, men, fanns inte i sintrad förkroppsligar, genom att undersöka, Röntgar diffraction. Fig.4 indikerar, att pekar Nolla, P, skiftar Q och R till O60, P60, Q60, och R60 i överensstämmelse med förhöjningen av gasa pressar. HÖFTEN som sintrar temperatur, var lägre, än pekar P60 och Q60. Därför bearbetar reaktioner av likställande (1) och (2) ska för att inte fortsätta i HÖFTEN, och ska syre reagerar för att bilda en oxid under 60 som MPa gasar pressar.

Figurera 3. Syre tillfredsställer av den sintrade AlNen som en fungera av att sintra temperatur.

Figurera 4. En del av HÖFTEN arrangerar gradvis diagrammet för de släkta reaktionerna av att sintra AlN.

Superconducting keramik (BiSrCaCuO_2x och BiPbySrCaCuO_2x) erhölls direkt av kapsel-HÖFT densification utan någon annan extra behandling för den första tiden av författare grupp [6]. En intressant aspekt av detta materiellt är denkallade ”partiska smältningen.”, Kick-Tcen arrangerar gradvis är vanligt erhållande precis nedanfört ”den partiska smältningen” pekar, på vilken temperatur någon av den bestånds- viktmelten [7-8]. Det finns stark påverkan av Po₂ på denna partiska smältning. Detta antyder inte en pressa verkställer på smältning pekar efter den Clausius-Clapeyron likställanden, men att några av vikterna kan förminskas och därefter smälta. Att Anta detta partiska smältande fenomen är en förminskningsreaktion, arrangerar gradvis en del av HÖFTEN diagrammet dras, genom att använda de experimentella datan av denfria NOLLA-₂ HÖFTEN för MPa 100 och anmälde data [7-8] för 0,1 MPa som i Fig. 5. Deras partiska smältning fodrar under 0,1 MPa-attraktioner, som det streckat fodrar, var kvadrerar, triangeln och cirklar indikerar smältt, delvist smältt, och inte smältt tar prov, respektive. Datan av Endo [7] och Endo [8] indikeras av öppet och halvöppet markerar, respektive. Den partiska smältningen fodrar under 100 som MPa av en slutsumma gasar pressar attraktioner, som det streckat och det prickigt fodrar. De experimentella datan för denfria Nollan₂ HIPing konspireras, som heltäckande markerar. Kickslutsumman gasar pressar affekter som bildandet fodrar av partisk smältning.

Figurera 5. HÖFTEN arrangerar gradvis diagrammet för bildandet av kick-Tc arrangerar gradvis av denCu-NOLLa superconductoren som är materiell med partiskt, pressar fodrar av syre.

Den mycket varma oxidationreaktionen av kol är mycket viktig på grund av allmänningkolvärmeapparater i HÖFTutrustning, eller grafitsmältdegeln som används för, pudrar behållaren. Har kemiska ändringar för Möjligheten av kolet ett dramatiskt att verkställa på den total- microstructuren och den mekaniska porositeten av materialen för borosilicateexponeringsglas. Strukturera av den mellan två ytor regionen mellan HIPed borosilicateexponeringsglas och koloxider, som påverkas av gasa, pressar kan vara mycket komplex, inte endast beroende av specifik reaktion villkorar liksom, temperaturen som är partisk pressar av den gasformiga arten och matrissammansättningen, men räknar samman också gasar pressar.

Figs. 6 (a) och (b) visar att en fotografera av HIPed borosilicateexponeringsglas tar prov. Det visades att borosilicateexponeringsglaset ytbehandlar färgar inte var enhetligt och ändrande från svart för att gråna, när gasa, pressa bildar MPa 7 till 30. När gasa, pressa var nedd MPa 40, färgar ytbehandla blev enhetlig och vit. Fotograferar av argt ytbehandlar av borosilicateexponeringsglas som HIPed på 1100°C visas i Fig. 6 (b). Tjockleken av detrika mörkerlagrar som minskas som slutsumman, gasar pressar ökande bildar MPa 7 till 40.

För att utforska bildandereaktionerna för kol-rikt lagrar på ytbehandla av material för borosilicateexponeringsglas, värderar av standard fri energi beräknades för reaktionerna av grafitsmältdegeln under det normala pressar.

Reaktionerna för möjlighetkoloxidation är

     C +O₂ = CO₂      (3)

     2CO + Nolla₂ = 2CO₂      (4)

     2C + Nolla₂ = 2CO (5)

HÖFTEN arrangerar gradvis diagrammet av de släkta reaktionerna på MPaen för pressa 40 konspireras i Fig. 7 av spärrlinjerna. Peka Nollan är genomskärningen av reaktionerna (3) (4) och (5). Figurera indikerar att equilibriumen pekar förskjutningar_0.1 för Nolla (°C 708) till Nollan₄₀ (°C 1104), såväl som Nollan₁₀₀ (°C 1195) och varje oxidationreaktion fodrar förskjutningar in mot högre temperaturer i överensstämmelse med förhöjningen av slutsumma-gasa pressar också till MPa 40 och 100 respektive. Den stabila regionen av kol i figurera gör bredare, och den stabila regionen av CO gasar förminskar med förhöjningen av gasa pressar. HÖFTEN som sintrar temperatur°C 1100, var nästan lika till pekaNollan.₄₀ Därför i fallet av det normala som sintrar med slutsumman, gasa pressar lower än 40 MPa och temperatur på °C 1100, fanns det en större stabil region av CO gasar i arrangera gradvisdiagrammet. Reaktionerna av likställande (4) och (5) kan fortsätta i den processaa HÖFTEN och grafitsmältdegeln oxideras för att frambringa CO gasar. CONA gasar frambragt är utsläppt in i den sintra pannan, och reaktionen mellan CO gasar med borosilicateexponeringsglas, speciellt på den ska ytbehandla av exponeringsglas äger rum.

Figurera 6. Fotografera av HIPed borosilicateexponeringsglas på 1100°C på olikt gasar pressar. (a) Topview Tvärsnitt (b) beskådar.

Figurera 7. En del av HÖFTEN arrangerar gradvis diagrammet av de släkta reaktionerna.

HÖFTEN arrangerar gradvis diagram som är föreslagna i detta arbete för att klargöra många HÖFTEN som sintrar problem som inte var möjligheten som är, löser för. Genom Att Använda den föreslagna HÖFTEN arrangera gradvis diagram, silikonnitriden som sintrar, den aluminium nitriden som sintrar, förklaras instämmde oxidsuperconductordensification och smältning för borosilicateexponeringsglas och väl med de experimentella resultaten.

1. K. Gasar Watari och K. Ishizaki, ”Påverkan av Pressar på HÖFTEN Sintrade SilikonNitriden och Stabilitet av KolImpurityen”, J. av Ceram. Soc. Jpn., 96 (1988) 535-540.
2. K. Watari, K. Ishizaki och M. Kawamoto, ”Utvärdering av KolUppförande i HIP'ed SilikonNitride”, J. av Ceram. Soc. Jpn., 96 (1988) 741-748.
3. N. Kuramoto, H. Taniguchi, Y. Nomura och I. Aso, J. Ceram. Soc. Jpn 93 (1985) 517.
4. T. Sakai, M. Kuriyama, T. Inuka och T. Kijima, J. Ceram. Soc. Jpn 86. 30 (1978)
5. K. Ishizaki och K. Watari, ”SyreUppförande av Det normala och HÖFT Sintrade AlN ”, J. Phys. Chem. Heltäckande., 50 [10] (1989) 1009-1012.
6. H. Producerade Seino, K. Ishizaki och M. Takata, ”den HIPed Kicken - täthetBi (Pb) - Sr-Ca-Cu-NOLLa Superconductors utan Någon Extra Behandling”, Jpn. J. av Appl. Phys., 28 (1989) 78-81.
7. Endo U., S. Koyama och T. Kawai, ”Förberedelsen av Kicken Tc arrangerar gradvis av Bi-Sr-Ca-Cu-NOLLa Supercondutor”, Jpn. J. av Appl. Phts., 27 (1988) 1476-1479.
8. H. Endo, J. Tsuchiya, N. Kijima, A. Sumiyama, M. Mizuno och Y. Oguri, ”Termisk Stabilitet av Kicken Tc Supercondutor i detCu-NOLLa Systemet”, Jpn. J. av Appl. Phts., 27 (1988) 1906-1909.

Kozo Ishizaki och Koji Matsumaru
Avdelning av Maskinlära, Nagaoka Universitetar av Teknologi, Nagaoka, 940-2188, Japan

Detta pappers- publicerades också i tryck bildar i ”Framflyttningar i Teknologi av Material och Material som Bearbetar”, 13 [1] (2011) 19-23.