Получение аморфного бора

Введение
Получение чистого аморфного бора представляет определенные трудности. Условия, необходимые для его получения, должны тщательно поддерживаться, поскольку бор вступает в сильную реакцию со многими веществами при высоких температурах, необходимых для восстановления его соединений. Любые побочные продукты, образующиеся в процессе восстановления, трудно отделить. Свойства элементарного бора в значительной степени зависят от способа его получения. Первое из этих условий - температура. При сравнительно низких температурах, около 600-800°C постоянного тока, бор обычно получают в виде аморфного порошка. При температурах выше 1000°C кристаллический бор во многих случаях образуется в виде смеси различных модификаций.
Кристаллические модификации элементарного бора частот получают путем специальной термической обработки аморфного бора, полученного при более низких температурах. Трудно провести четкое различие между способами получения аморфного и кристаллического бора, поскольку они основаны на одной и той же реакции. В ряде работ структура бора обычно не исследовалась. Реакции, приводящие к образованию смеси аморфный и кристаллический бор без четко выраженной структуры будет обсуждаться в этой курсовой работе. Естественно, основное внимание будет сосредоточено на процессах текущего практического применения и процессах, способных развиваться. Информацию об исследованиях по получению бора, которые, как правило, не приводили к высокой чистоте, можно [1-7].
Известные способы получения бора можно разделить на четыре группы. Три из них основаны на восстановлении соединений бора металлами, водородом и другими агентами или электролизом. Четвертый способ заключается в термическом разложении соединений бора.
Порошок аморфного бора (ABP) имеет сравнительное преимущество перед обычными видами топлива, такими как алюминий, магний и т.д., благодаря высокой теплоте сгорания, для использования в топливах с высоким содержанием топлива для интегрированных ракетных двигателей. Низкий атомный вес, высокая теплоотдача, способность к воспламенению с помощью KNO, выделение большого количества тепла и стойкое горение даже при низком давлении делают пиротехническую композицию на основе бора очень привлекательной для воспламенения. Исследовательская лаборатория высокоэнергетических материалов в Пуне разработала процесс получения ABP Gr II с 85-88-процентной чистотой. Порошок аморфного бора высокой чистоты с содержанием 92-94% является предпочтительным для использования в качестве топлива, обогащенного топливом, для встроенных прямоточных ракетных двигателей и составов воспламенителей для повышения производительности.
Цель данной курсовой работы является получение аморфного бора. Аморфный порошок бора высокой чистоты (92-94%) с размером частиц l-2 мм предпочтителен в качестве топлива для обогащенного топливом топлива для встроенных прямоточных реактивных двигателей и для воспламенительных составов.
 
Литературный обзор по теме «Получение аморфного бора»
Одним из наиболее часто применимых методов для получения аморфного бора является метод восстановления соединений бора металлами. Оксид бора, бура, бораты металлов, галогениды (хлорид; реже бромид, фторид и иодид) и тетрафторбораты металлов представляют собой типы соединений бора, которые могут быть использованы для практического получения элементарного бора. Как было показано термодинамическим расчетом [8-9] изобарные потенциалы восстановления оксида бора магнием, кальцием и алюминием отрицательны в диапазоне температур от 298 до 2000К, и, следовательно, эти металлы могут легко восстанавливать B2О3 до бора. Кремний восстанавливает слабо при температурах до 1900 К, но не уменьшается при более высоких температурах. Натрий не может восстановить оксид бора до элементарного бора в стехиометрических пропорциях реагентов в вышеуказанном диапазоне температур.
Из перечисленных выше металлов только магний нашел практическое применение в производстве бора. Порошкообразный магний легко доступен и стоит недорого по сравнению с такими восстановителями, как щелочные металлы и кальций.
Термомагнитный способ получения бора, разработанный основан на реакции, которая обычно записывается как:
B2О3 + 3 Mg = 2B + 3MgO
Успешная реакция зависит от использования избытка оксида бора, который связывает образовавшийся оксид магния в форме боратов. Таким образом, происходят следующие реакции:
2B203 + 3 Mg = 2B + 3MgO • B203
4B203 + 3 Mg = 2B + 3 (MgO • B203)

Оптимальное соотношение соответствует примерно 1,8 молям оксида бора на три атома магния.
Процесс восстановления оксида бора металлическим магнием сильно экзотермический. Тепловой эффект реакции (1) равен 136 Ккал., и, по оценкам, в реакционной смеси могут развиться температуры до 2540 0С, если нет потерь тепла [10].
Энергичное взаимодействие, характеризующееся быстрым повышением температуры и появлением пламени, происходит, когда мелкодисперсные реагенты нагреваются до температуры реакции. Уменьшение происходит в течение нескольких секунд. Термографические исследования показали [11], что экзотермическая реакция начинается при 700-880oC, т.е., выше температур плавления оксида бора и металлического магния.
На начальном этапе реакция протекает между двумя жидкими фазами.
При более высоких температурах испарение магния начинает способствовать разрыхлению пленки продуктов реакции на границе раздела оксида бора с магнием. Когда это происходит, скорость реакции резко возрастает. Вероятно, восстановление оксида бора [8-9] происходит поэтапно. Первой стадией, по-видимому, является образование субоксида бора:
B203 + Mg = 2BO + MgO
2BO + 2Mg = 2B + 2 MgO

приводит другие формулы для субоксидов бора, присутствующих в боре, полученных термомагниевым методом. Исследования показывают, что в результате реакции с оксидом магния образуются другие суббораты, такие как MgB30О10.
Их присутствие в термомагнитном боре было доказано экспериментально [10]. Взаимодействие металлического магния с бором приводит к одновременному образованию боридов MgB2, MgB4 и MgB12. Эти бориды термически нестабильны и при высоких температурах диссоциируют на бор и магний развился во время восстановления [8-9]. Этот последний факт чрезвычайно важен, поскольку он объясняет, почему препараты с высоким содержанием бора не могут быть получены с использованием других металлов в качестве восстановителей. Кальций и алюминий, например, образуют стабильные бориды.
Еще один способ заключается в следующем: основной примесью в ABPGr II является магний в форме полиборидов магния. Различные способы, описанные в [11-13] для улучшения чистоты ABP Gr I и ABP Gr I, включают:
(a) Обжиг бора с цинком в инертной среде
(b) Окислительный обжиг бора на воздухе
(c) Обработку бора фторборатами щелочных металлов(d) Экстракцию бора расплавленным оксидом бора.
Однако способы (а) и (б) рассматриваются в качестве перспективных путей повышения чистоты аморфного бора. В способе (а) ABP Gr II обжигают с цинком в инертной атмосфере аргона при более высокой температуре для улучшения чистоты бора. В реакции участвуют:
MgBx+2Zn-------(Инертная среда)---------MgZn2+XB,
где x = 2, 4, 6, 12.Окислительный обжиг бора включает обжиг ABP Gr II на воздухе при более высокой температуре для улучшения чистоты.
Во время обжига окисление магния из хлоридов магния происходит быстрее, чем окисление бора.
Вероятными реакциями являются:
2MgBx + 02 -- 2MgO+2xB,
где x = 6,12.
4B + 302 ----2B203
В ходе проведенных исследований выявлена оптимизация параметров процесса (время обжига, температура обжига и т.д.) для обжига бора с цинком в инертной среде и окислительного обжига из бора в масштабе верстака. Также исследуется масштабирование метода стендовой шкалы. Также было проведено сравнительное исследование обоих процессов.
В качестве исходного сырья применяли аморфный порошок бора (ABP) Gr II, соответствующий стандарту и цинковый порошок (GR Grade).
В качестве оборудования применялись печи для обжига (мощность) 3 кВт и 22 кВт. Процедура отжига заключается в следующем: ABP Gr II с цинком отжигаются в инертной среде. Были проведены лабораторные исследования для оптимизации различных технологических параметров отжига ABP Gr I с цинком в инертной среде. Гомогенную смесь ABP Gr II и цинкового порошка (по 10 г каждого) насыпали тонким слоем на поддон и подвергли обжигу в инертной среде аргона в печи для отжига. Затем отожжённый бор выщелачивали хлорной кислотой для удаления растворимых примесей.
Его дополнительно промывали смесью этанола и метанола, фильтровали и сушили для получения чистого бора. Влияние температуры и времени отжига было изучено для достижения оптимальных параметров для лучшего выхода и чистоты. Результаты были обобщены в таблицах 2 и 3.