Способ получения ультрадисперсного порошка карбида кремния

 

Изобретение относится к технологии получения карбидов, а именно к способу получения ультрадисперсного порошка карбида кремния, используемого для спекания изделий, работающих в агрессивных средах при высокой температуре, в частности, в космонавтике, ракетостроении, энергетике. Цель изобретения - повышение дисперсности частиц порошка карбида кремния. Способ включает приготовление смеси из диоксида кремния и углеродного компонента, взятого с избытком, в присутствии катализатора - нитрида алюминия в количестве 0,3-0,5 мас.%, брикетирование смеси и высокотемпературный нагрев ее или углетермический синтез при 1400-1540°С в течение 4-6 ч в атмосфере аргона, содержащей 10-20 об.% азота. Полученный при этом ультрадисперсный порошок карбида кремния имеет удельную поверхность 25-30 м<SP POS="POST">2</SP>/г, расчетный размер частиц 0,075-0,063 мкм.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 01 В 31 36

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4375103/31-26 (22) 10.02.88 (46) 07.04.90. Бюл. Ь- 13 (72) С. С. Кипарисов, А. П. Петров, Г. M. Вольдман, Н. В. Быканова, А. Ф. Кравченко и Л. П. Костюкова (53) 661.665.1(088.8) (56) Косолапова Т. Я., Андреева Т. В. и др. Неметаллические тугоплавкие соединения. — М.: Металлургия, 1985, Патент ФРГ Р 2848377, кл. С 01 В 31/36, 1980. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА КАРБ1ЩА КРЕМНИЯ (57) Изобретение относится к технологии получения карбидов, а именно к способу получения ультрадисперсного порошка карбида кремния, используемоИзобретение относится к технологии получения карбидов, а .именно к способу получения ультрадисперсного порош ка карбида кремния, используемого для спекания изделий, работающих в агрессивных средах и.при высоких температурах, в частности, в космонавтике, ракетостроении, энергетике.

Целью изобретения является повьппение дисперсности частиц порошка кар-: бида кремния.

Способ осуществляется следующим образом.

Диоксид кремния смешивают с высокодисперсным углеродным компонентом, „.Я0„„1555279 А 1

2 го для спекания изделий, работающих в агрессивных средах при высокой темпе ра туре, в час тно с ти, в ко смо нав тике, ракетостроении, энергетике. Цель изобретения — повышение дисперсности частиц порошка карбида кремния. Спо- . соб включает приготовление смеси из диоксида кремния и углеродного компонента, взятого с избытком, в присут-: ствии катализатора — нитрида алюминия в количестве 0,3-0,5 мас.%, брикетирование смеси и высокотемпературный нагрев ее или углетермический синтез при 1400-1450 С в течение 4-6 ч в атмосфере аргона, содержащей 10—

20 o6.% азота. Полученный при этом ультрадисперсный порошок карбида кремния имеет удельную поверхность . 25-30 м /г, расчетный размер частиц

0,075-0,063 мкм., имеющим сферическую форму частиц, в молярном соотношении I:4; порошком нитрида алюминия в количестве 0,3—

0 5 мас.% и водой, Смесь брикетируют и сушат в течение 10 ч при 150 С и загружают- в графитовый тигель, который помещают в печь. Углетермический синтез проводят при 1400-1450 С в течение 4.-6 ч в протоке аргона с добавкой 10-20 об.% азота.

Использование катализатора позволяет активировать процесс образования карбида кремния, последняя стадия которого описывается химическим уравне- нием

1555279

Si0 + 2С SiC + СО„

Добавка азота к аргону также оказывает каталитическое воздействие на 5 процесс образования карбида кремния.

Применение нитрида алюминия и азота позволяет снизить температуру и продолжительность синтеза, что способствует получению ультрадисперсно- !О

ro порошка карбида кремния.

Выбор 0,3 мас.X нитрида алюминия в качестве нижнего предела объясняется тем, что при меньшем содержании

AlN его воздействие на процесс полу- !5 чения порошка карбида кремния становится незначительным. При увеличении добавки нитрида алюминия (> 0,5 мас.%) его воздействие на процесс получения карбида кремния остается постоянным, 20 но наличие Al u N в порошке карбида кремния в количестве > 2 мас.Х отрицательно сказывается на качестве изделий из порошка карбида кремния.

Выбор 10 об.X азота в качестве нижнего предела объясняется тем, что при меньшем содержании азота его воздействие на процесс образования SiC становится незначительным. При увели" чении содержания азота в смеси,30 (>20 об.%) его воздействие на процесс получения карбида кремния остается постоянным, но присутствие азота в большем количестве приводит к значительному загрязнению порошка карбида кремния азотом.

При 1400-1450 С и продолжительности выдержки 4-6 ч происходит окончательное образование карбида кремния из SiO и С. 40

В случае проведения синтеза при о температуре С,1400 С реакция образования карбида кремния идет не до конца и карбид кремния сильно загрязнен кислородом. В случае проведения син" 45 о теза при температуре ) 1450 С образуются отдельные крупные агломераты размером >100 мкм, что отрицательно сказывается на качестве порошка карбида кремния. 50

Продолжительность выдержки 4-6 ч, так как при меньшем времени выдержки со,.:;ержание кислорода в карбиде кремния превьппает 1/, а превышение 10 ч приводит к росту энергозатрат и возрастает вероятность образования крупных агломератов в порошке SiC.

В результате проведения процесса по укаэанному режиму получают ультрадисперсный порошок карбида кремния, Средний размер частиц порошка 0,2—

0,4 мкм. Присутствие в порошке отдельных частиц размером более 20 мкм не обнаружено.

Содержание кислорода в полученном порошке карбида кремния 0,2-0,4 мас., Содержание свободного углерода

)1О мас./. Свободный углерод легко удаляется при отжиге.порошка карбида кремния на воздухе при 600 С в течение 40 ч. Суммарное содержание Fe, Si и Са не .,превьппает О,1 мас. . Содержание азота варьируется от 1 до

3 мас.Х, а алюминия — от О.,2 до

0,4 мас ° /.

Согласно рентгенофазовому анализу, полученный карбид кремния имеет следующий фазовый состав: p = SiC 60-85 ., неупорядоченный карбид кремния 10-20, eh=- SiC 5-20Х.

Пример 1. Смесь диоксида кремния с высокодисперсным углеродным компонентом в молярном соотношении

I:4, 0,3 мас.X порошка нитрипа алюминия и водой брикетируют, сушат в течение 10 ч при 150 С и загружают в графитовый тигель, который помещают в печь. Продолжительность выдержки при 1400 С в протоке смеси аргона с

10 об.Х азота 4 ч. Для удаления углерода проводят отжиг порошка SiC Ha воздухе при 600 С s течение 40 ч.

Полученный порошок карбида кремния имеет следующие характеристики: сред-. ний размер частиц 0,2 мкм, максимальный размер частиц и 15 мкм; содержание мас./: кислород 0,4; свободный углерод 0,05 .азот 1,5; алюминий 0,2;

Ре 0,05.

Н р и м е р 2..Смесь диодксида кремния с высокодисперсным углеродным компонентом в молярном соотноше нии 1I4, 0,5 мас./ порошка нитрида алюминия и водой брикетируют, сушат в течение 10 ч при 150 С и загрукают о в графитовый тигель, который помещают в печь. Продопжительность выдержки при 1450 С в протоке смеси аргона с

20 об,/ азота 6 ч. Для удаления углерода проводят отжиг порошка SiC на воздухе при 600 С в течение 40 ч.

Полученный порошок карбида кремния имеет следующие характеристики: средний размер частиц 0,4 мкм, максимальный размер частиц «20 мкм; содержание, мас.Х: кислород 0,2; свободный

)5552 углерод 0,05; азот 2,0; алюминий

0,4; Fe 0,05.

Пример 3. Смесь диоксида кремния с высокодисперсным углеродным компонентом в молярном соотношении

1:4, 0,4 мас./ порошка нитрида алюминия и водой брикетирувт, сушат в течео ние 10 ч при 150 C и загружают в графитовый тигель, который помещают в печь. Продолжительность выдержки при

1425 С в протоке смеси аргона с

l5 об. . азота 5 ч ° Для удаления углерода проводят отжиг порошка SiC на о воздухе при 600 С в течение 40 ч.

Полученный порошок карбида кремния имеет следующие характеристики: средний размер частиц 0,3 мкм, а максимальный размер частиц <20 мкм; содержание, мас.7.: кислород 0,3; свободный 20 углерод 0 05 азот 2 0; алюминий 0,3;

Fe 0,05.

Пример 4, Смесь диоксида кремния с высокодисперсным углеродным компонентом в молярном соотношении 25

1 .4, 0,2 мас.% порошка нитрида алюминия и водой брикетируют, сушат в течение 10 ч при 150 С и загружают в графитовый тигель, который помещают в печь. Продолжительность выдержки 30 при !350 С в протоке смеси аргона с

5 об., азота 3 ч. Пля удаления углерода проводят отжиг порошка SiC на о воздухе при 600 С в течение 40 ч.

Полученный порошок карбида кремния 35 имеет следующие характеристики: средний размер. частиц 0,1 мкм, максимальный размер частиц «<10 мкм; содержание, мас.%: кислород 18; свободный углерод 0,05; азот 1,5; алюминий 0,1; 40

Fe 0,05. Полученный порошок SiC имеет очень высокое содержание кислорода и не может использоваться в практических целях.

Пример 5. Смесь диоксида 45 кремния с высокодисперсным углеродным компонентом в молярном соотношении

1:4, 0,6 мас. порошка нитрида алюминия и водой брикетируют, сушат в течение 10 ч при 150 С и загружают в 50 графитовый тигель, который помещают в печь. Продолжительность выдержки при 1500 С в протоке смеси аргона с

25 об.7. азота 7 ч. Для удаления угле ода проводят отжиг порошка BiC на о воздухе при 600 С в течение 40 ч, Полученный порошок карбида кремния имеет следующие характеристики: средний размер частиц 1,5 мкм, а макси79 6 мальный размер частиц достигает 50 мкн; содержание, мас. .: кислород 0,2; свободный углерод Оу05; азот 5; алюминий 0,5; Ге О, 05. Сравнительно большой средний размер частиц, присутствие в порошке SiC частиц с размером

50 мкм, повьппенное содержание азота и алюминия не позволяют получить высокоплотные изделия из такого порошка карбида кремния.

Таким образом, приведенные приме" ры 1-5 свидетельствуют об уменьшении среднего размера частиц порошка SiC.

В полученном порошке карбида кремния отсутствуют частицы размером более

20 мкм, что свидетельствует об узкой кривой распределения частиц этого порошка по размерам, Снижение температуры и продолжительности синтеза по сравнению с известным способом приводит к уменьшению энергозатрат.

Дополнительное содержание алюминия и азота в порошке карбида кремния, полученного по предлагаемому способу, не отражается негативно на последующих .стадиях изготовления из него изделий, так как Al u N часто добавляются в порошок SiC для активирования уплотнения образцов при спекании и горячем прессовании.

Из полученного порошка карбида кремния с добавками В С методом горяо чего прессования при 2000 С и давлении 50 NIa в течение 0,5 ч изготовлены образцы с плотностью, составляющей

96% от теоретической.

По сравнению с известным способом средний размер частиц полученного порошка SiC уменьшается в два раза, а энергозатраты снижаются на 207.

Карбид кремния в промышленном масштабе получают методом "Ачесона", при котором карбид кремния образуется при

=2500 С. Средний размер частиц SiC в этом случае 30-40 мкм, а содержание кислорода в нем превышает 0,6 мас. .

1Io предлагаемому способу удается получить более чистый порошок карбида кремния со средним размером частиц на порядок меньшим, чем по известному способу.

Формула изоб ретения

Способ получения ультрадисперсного порошка карбида кремния, включающий смешивание диоксида кремния и углеродного компонента, взятого с избыт1555279 8 подают катализатор — нитрид алюминия в количестве 0,3-0,5 мас.7., а нагрев смеси проводят при 1400-1450 С в течение 4-6 ч в атмосфере аргона, содержащей 10-207 азота. ком, брикетирование смеси и высокотемпературный нагрев ее в атмосфере аргона, отличающийся тем, что, с целью повышения дисперсности 5 порошка, на смешивание дополнительно

Составитель Л. Романцева

Редактор Н. Гунько Техред И,Дидык Корректор M. Иаксимишинец

Заказ 534 Тираж 417 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Гагарина,101