Preparation of cubic NbN via reactive diffusion and combustion synthesis in nitrogen gas

par Alexander Linde

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Vladimir Grachev et de Rose-Marie Marin Ayral.

Soutenue en 2009

à Montpellier 2 en cotutelle avec l'Académie des sciences de Russie (1992-....) , dans le cadre de Sciences Chimiques (MontpellierÉcole Doctorale...-2014) , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (autre partenaire) .

mots clés

• Combustion auto-propagée
• Nitrure de Niobium
• Diffraction X
• Meb
• Microstructure
• Supraconducteur
• Supraconducteurs
• Nitrure de niobium
• Microstructure (physique)
• Combustion

Titre traduit

Synthèse de nitrure de niobium cubique par diffusion et combustion auto-propagée sous pression d'azote

Résumé

Durant cette thèse, nous avons préparé par diffusion d'azote dans le niobium et par combustion auto-propagée sous atmosphère d'azote des poudres de nitrure de niobium de type δ-NbNx cubique avec des pourcentages atomiques x azote/niobium différents. Les paramètres de maille a de ces poudres ont été déterminés par diffraction des RX. Leurs températures de transition supraconductrice Tc ont été déterminées par des mesures de magnétisme. La détermination des valeurs exactes de x, a et Tc a permis de mettre en évidence un maximum pour le paramètre de maille et pour la température de transition pour une valeur de x = 0. 98 précisément. Une étude réalisée sur des particules de niobium de taille 100 µm a mis également en évidence la formation successive des phases α-Nb(N), β-Nb2N1±y, γ-Nb4N3±y, δ-NbN1±y ce qui est en total accord avec le diagramme de phases Nb-N référencé dans la littérature. Des expériences à basses pressions (P(N2) = 0. 12–10. 0 MPa) ont été réalisées pour étudier des modes différents de combustion par filtration avec “front concave” et “front plan”. Nous avons montré qu'un front concave se produisait dans un domaine de pression 0. 12−1. 0 MPa alors que dans le domaine 1−10 MPa, le front de combustion était plan, laissant donc présager d'une combustion stable. Dans les expériences à hautes pressions (P(N2) = 48−230 MPa) des conditions expérimentales bien spécifiques ont été choisies afin de limiter les pertes de chaleur. Pour les synthèses, les échantillons ont été entourés par une couche d'isolant de nitrure de bore poreux afin de réduire les pertes de chaleur pour obtenir ainsi une augmentation du coefficient “x” (jusqu'à 1. 015)

Résumé

This PhD thesis was aimed at obtaining of δ-NbNx powders with various nitrogen/niobium ratio x (both below and above the unity) via reactive diffusion and SHS in nitrogen gas. Lattice parameter a of cubic niobium nitride powders was determined by means of XRD. Their critical temperatures Tc were determined using magnetic measurements. Simultaneous high-accuracy measurements of the x, a and Tc values allowed us to unambiguously reveal the maxima in the a(x) and Tc(x) curves which was found to happen at x = 0. 98. The mechanism of phase formations in the diffusion product with a particle size of about 100 m was investigated. According to EPMA data, it was found to proceed in the following order: Nb → α-Nb(N) → β-Nb2N1±y → γ-Nb4N3±y → δ-NbN1±y that is in agreement with the recent phase diagram. SHS experiments at lower pressures (P(N2) = 0. 12–10. 0 MPa) were aimed at investigation of different combustion modes such as “surface” and “layer-by-layer” modes experimentally and theoretically. Combustion with a concave front (“surface” mode) was found to occur within the pressure range 0. 12–1. 0 MPa while that with a planar front (“layer-by-layer” mode), in the range 1–10 MPa. SHS experiments at high pressures (P(N2) = 48–230 MPa) were mostly oriented on the investigation of influence of different heat conditions. It was shown that upon filtration combustion infiltration of nitrogen gas into the sample body is not the only parameter which limits the extent of nitriding of Nb powder. Gas permeable heat insulation is recommended in order to decrease heat loss from the sample into environment and thus to provide more favorable conditions for the achievement of higher extent of nitriding. Using heat insulation high extent of conversion (x = 1. 015) was obtained at lower pressures than in previous studies