Механическая активация ниобия и кремния: роль диаметра шаров и времени в механохимическом синтезе силицидов ниобия

Исследованы закономерности механохимического формирования силицидов ниобия с использованием техногенных отходов (стружка ниобия и пластины кремния) в качестве исходных материалов. Выявлены роль диаметра мелющих шаров и времени механической активации на изменения массовой доли образованных силицидов ниобия. Методами рентгенофазового анализа и растровой электронной микроскопии изучено
и показано, что морфологические изменения тесно связаны с образованием таких новых фаз как NbSi₂, Nb₅Si₃, Nb₃Si. Высокая степень измельчения и деформации частиц является предпосылкой для успешного механохимического синтеза. Время механической активации является ключевым фактором в процессе механохимического синтеза силицидов ниобия. Максимальное разупорядочение и измельчение структуры, достигается в промежуточных режимах активации (10…15 мин). Использование более крупных шаров (8 мм) интенсифицирует процессы деформации и разупорядочения, приводя к более резкому увеличению микроискажений и к более быстрому образованию наноразмерных силицидов. Массовая суммарная доля силицидов ниобия составила 46 мас. % при использовании шаров 8 мм против 38 мас. % при использовании шаров 5 мм после 30-минутной механической активации. Использование вторичных отходов в качестве исходных материалов пригодно для получения силицидов ниобия.

1. Sankar M, Satya Prasad VV, Baligidad RG, Alam MdZ, et al. Microstructure, oxidation resistance and tensile properties of silicide coated Nb-alloy C-103. Materials Science and Engineering: A. 2015;645:339-346. DOI:10.1016/j.msea.2015.07.063

2. Shkoda OA, Terekhova OG. SHS in the Nb–Si system: Influence of mechanical alloying. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2016;25(1):14-16. DOI:10.3103/S106138621601012X

3. Shkoda OA. Thermal explosion in Nb–Si mixtures: influence of mechanical activation. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2018;27(1):60-63. DOI:10.3103/S1061386218010089

4. Knittel S, Mathieu S, Portebois L, Drawin S, et al. Development of silicide coatings to ensure the protection of Nb and silicide composites against high temperature oxidation. Surface and Coatings Technology. 2013;235:401-406. DOI:10.1016/j.surfcoat.2013.07.053

5. Shchetanov BV, Graschenkov DV, Efimochkin IU, Paegle SV, et al. Investigation of a high-temperature Nb-based composite material mechanically doped with Si. Inorganic Materials: Applied Research. 2019;10(5):1033-1038. DOI:10.1134/S2075113319050290

6. Zhang YH, Wu LR, Ma J, Cui G. Nanotechnology in solid state batteries, what’s next? Next Nanotechnology. 2023;2:100011. DOI:10.1016/j.nxnano.2023.100011

7. Cardozo EP, D’Oliveira ASCM. Niobium silicide multilayers processed by in situ synthesis during deposition of powder mixtures. Journal of Materials Engineering and Performance. 2022;31(5):3998-4005. DOI:10.1007/s11665-021-06460-2

8. Kovalevskaya ZhG, Khimich MA, Korchagin MA, Sharkee YuP. Special aspects of formation of Ti-Nb system β-alloys by the mechanical alloying in a high-energy ball mill. Vektor nauki Tol′yattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2017;3(41):65-69. DOI: 10.18323/2073-5073-2017-3-65-69 (In Russ.)

9. Goncharov IS, Hisamova LV, Saubanova LYu, Polozov IA, et al. Synthesis of the In Situ Nb-Si composites by binder jetting additive manufacturing technology. Key Engineering Materials. 2019;822:311-319. DOI:10.4028/www.scientific.net/KEM.822.311

10. Ling X, Liu F, Zhang M, Liu Q. Shock synthesis of niobium silicide (Nb5Si3) via the flyer plate impact technique with high impact velocities. Journal of Alloys and Compounds. 2018;740:1032-1036. DOI:10.1016/j.jallcom.2017.12.089

11. Shkoda OA. Effect of mechanical activation on the synthesis of pentaniobium trisilicide. Izvestiya vuzov. Fizika. 2025;68(8):73-79. DOI: 10.17223/00213411/68/8/9 (In Russ.)

12. Li B, Liu L, Ma XM, Dong YD. Amorphization in the Nb–Si system by mechanical alloying. Journal of Alloys and Compounds. 1993;202(1-2):161-163. DOI: 10.1016/0925-8388(93)90535-U

13. Shin J, Park J, Park N. A method to recycle silicon wafer from end-of-life photovoltaic module and solar panels by using recycled silicon wafers. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017;162:1-6. DOI:10.1016/j.solmat.2016.12.038

14. Boldyrev VV. Mechanochemistry and mechanical activation of solids. Russian Chemical Reviews. 2006;75(3):177-189. DOI:10.1070/RC2006v075n03ABEH001205

15. Kuzmich YuV, Kolesnikova IT, Serba VI, Freidin BM. Mechanical alloying. Moscow: Nauka; 2005. 213 p. (In Russ.)

16. Suryanarayana C. Mechanical alloying and milling. Progress in Materials Science. 2001;46:1-184.

17. Butyagin PY. Problems in mechanochemistry and prospects for its development. Russian Chemical Reviews. 1994;63(12):965-976. DOI:10.1070/RC1994v063n12ABEH

18.

19. Trevino R, Maguregui E, Perez F, Shafirovich E. Mechanically activated SHS of Nb5Si3 and Nb5Si3/Nb composites. Journal of Alloys and Compounds. 2020;826:154228. DOI:10.1016/j.jallcom.2020.154228

20. Shkoda OA, Terekhova OG. Combustion of Nb–Si powder blends: interrupted mechanical activation. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2011;20(4):224-228. DOI: 10.3103/S1061386211040121

21. Thiessen P-A, Meyer K, Heinicke G. Grundlagen der Tribochemie. Berlin: Akademie-Verlag; 1967. 194 p.

22. Kolobov GA, Panov VS, Rakova NN. Processes of secondary refractory rare metals (Review). Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2014;1:41-48. DOI:10.17073/0021-3438-2014-1-41-48 (In Russ.)