Способ получения моноокиси кремния и установка для его осуществления
Изобретение относится к электронной технике, а именно к получению моноокиси кремния, который используется в качестве диэлектрического и изоляционного материала при изготовлении конденсаторов, триодов и других микропленочных элементов. Моноокись кремния получают восстановлением двуокиси кремния кремнием по реакции SiO2+Si=2SiO в защитной атмосфере. Процесс восстановления проводят при температуре 2200-3000К. При проведении процесса расплавленную смесь мелкодисперсных порошков вводят в расплав одного из реагентов - двуокиси кремния или кремния. Установка для получения моноокиси кремния включает нагревательный элемент, установленный над реакционной камерой, дозатор и закалочное устройство. В качестве нагревательного элемента используется электродуговой аргоновый плазмотрон. В нижней части реакционной камеры установлен анод с возможностью вертикального перемещения для установления длины дуги, необходимой для нагрева смеси мелкодисперсных порошков двуокиси кремния и кремния. Внутри реакционной камеры размещен тигель для реагентов. Тигель выполнен из термостойкого материала. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности установки для получения моноокиси кремния, а также снижение содержания примесей в полученной моноокиси кремния. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.
Группа изобретений относится к электронной технике, а именно к получению моноокиси кремния, использующегося в качестве диэлектрического и изоляционного материала при изготовлении конденсаторов, триодов и других микропленочных элементов.
Известен способ получения моноокиси кремния по реакции SiO2+Si=2SiO нагревом смеси мелкодисперсных порошков двуокиси кремния и кремния, взятых в стехиометрическом соотношении, до температур ниже температуры плавления кремния 1690К, то есть реагенты находятся в твердой фазе, в защитной атмосфере или в условиях вакуума. В интервале температур 1470-1690К скорость реакции значительно возрастает (см. Плазменная металлургия. Низкотемпературная плазма. Ч. 8. Новосибирск: Наука, Сиб. отд., с. 222). Однако температура этого процесса ограничена температурой плавления кремния 1690К, так как из-за интенсивного каплеобразования кремния при его плавлении уменьшается площадь фазового контакта между реагентами, что приводит к cнижению скорости реакции. Кроме того, при этом способе получения моноокиси кремния невозможно организовать непрерывный процесс. Все это приводит к низкой производительности процесса. Известна ампула для получения моноокиси кремния, выполненная в виде трубки с заглушенными концами. Для повышения выхода продукта и многократного его использования концы трубки снабжены притертыми крышкой и тиглем из тугоплавкого материала, а внутренняя поверхность трубки - ловушками (см. а.с. 247263, МПК С 01 В 33/12, опубл. БИ 22 от 04.07.1969). Однако, эта ампула не обеспечивает непрерывности процесса получения моноокиси кремния и скорость реакции в ней небольшая из-за сравнительно низкой температуры проведения процесса получения моноокиси кремния, а при увеличении температуры выше температуры плавления кремния скорость реакции падает вследствие каплеобразования кремния и соответственно уменьшения площади фазового контакта между реагентами. Наиболее близким способом по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения моноокиси кремния по реакции SiO2+Si=2SiO нагревом смеси мелкодисперсных порошков двуокиси кремния и кремния, взятых в стехиометрическом соотношении, в аргоновой ВЧИ-плазме до температур выше температур кипения реагентов (3500-6000К). В этом способе реагенты переводятся в газовую фазу, что позволяет вести процесс непрерывно (см. Плазменная металлургия. Низкотемпературная плазма. Ч. 8. Новосибирск: Наука, Сиб. отд., с. 222-224). Однако в этом способе КПД процесса сравнительно низок из-за высокой температуры проведения процесса и необходимости испарения реагентов. Наиболее близким устройством того же направления к заявляемому устройству является ВЧИ-плазменная установка для получения моноокиси кремния по реакции SiO2+Si= 2SiO при температурах выше температур кипения реагентов при процессе протекания в газовой фазе, состоящая из водоохлаждаемой кварцевой реакционной камеры, помещенной в индуктор, завихрителя, водоохлаждаемого зонда, дозатора, вибратора, реактора, тканевого фильтра. (см. Плазменная металлургия. Низкотемпературная плазма. Ч. 8. Новосибирск: Наука,. Сиб. отд. , с. 222-224). Однако недостатками известной установки являются узкий диапазон регулирования рабочих режимов установки, так как зона термообработки реагентов ограничена размером индуктора, и КПД ВЧ-генератора ниже, чем у источников питания электродуговых устройств. Из-за высокой температуры проведения процесса (3500-6000К) все примеси, содержащиеся в исходном сырье, испаряются и загрязняют продукт. Таким образом, задачей предлагаемой группы изобретений является получение порошка моноокиси кремния восстановлением двуокиси кремния кремнием по реакции SiО2+Si=2SiO при температуре 2200-3000К. Техническим результатом предлагаемой группы изобретений является повышение эффективности установки для получения моноокиси кремния, а также снижение содержания примесей в полученной моноокиси кремния. Для достижения обеспечиваемого группой изобретений технического результата в известном способе получения моноокиси кремния по реакции SiO2+Si= 2SiO нагревом смеси мелкодисперсных порошков двуокиси кремния и кремния, взятых в стехиометрическом соотношении, в атмосфере защитного газа, согласно изобретению предварительно термообработанные, расплавленные, мелкодисперсные порошки двуокиси кремния и кремния вводят в расплав одного из реагентов: двуокиси кремния или кремния при температуре нагрева 2200-3000К. Достижение обеспечиваемого технического результата стало также возможным благодаря установке для получения моноокиси кремния по реакции SiО2+Si=2SiO, включающей нагревательный элемент, установленный над реакционной камерой, дозатор, закалочное устройство, согласно изобретению в качестве нагревательного элемента установка снабжена электродуговым аргоновым плазмотроном, в нижней части реакционной камеры установлен анод с возможностью вертикального перемещения для установления длины дуги, необходимой для нагрева смеси мелкодисперсных порошков двуокиси кремния и кремния до температуры 2200-3000К, кроме того, установка снабжена тиглем, размещенным внутри реакционной камеры и выполненным из термостойкого материала для помещения в него одного из реагентов - двуокиси кремния или кремния. Из патентной документации и научно-технической литературы авторам известны два способа получения моноокиси кремния по реакции SiО2+Si=2SiO: в первом процесс проводят при температурах ниже температуры плавления кремния, то есть реагенты находятся в твердой фазе, при этом при повышении температуры проведения процесса скорость реакции возрастает, а при плавлении кремния скорость реакции резко падает вследствие уменьшения площади фазового контакта между реагентами из-за интенсивного каплеобразования кремния. Во втором температура проведения процесса в ВЧИ-плазме выше температур кипения двуокиси кремния и кремния, то есть реагенты находятся в газовой фазе, при этом КПД ВЧ-генераторов, используемых в качестве источника питания ВЧИ-плазменной установки, низок, хоть скорость реакции и высокая, но требуются большие затраты энергии на поддержание высокой температуры и испарение реагентов, вследствие чего эффективность процесса ниже. В предлагаемом способе температура процесса составляет 2200-3000К, мелкодисперсные порошки реагентов подают в струю аргоновой плазмы, где они нагреваются до указанной температуры и в виде мелких капель попадают на поверхность расплава двуокиси кремния или кремния. При этом происходит растекание капель по поверхности расплава и увеличивается площадь фазового контакта между реагентами, что повышает скорость реакции. В предлагаемом способе испарения реагентов не происходит и в результате применения электродуговой установки эффективность процесса выше. При растекании капель происходит растворение в расплаве примесей, содержащихся в исходных реагентах, вследствие чего содержание примесей в продукте снижается. Заявляемая группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - установка для получения моноокиси кремния по реакции SiО2+Si=2SiO предназначена для использования в другом заявленном объекте группы - способе получения моноокиси кремния по реакции SiО2+Si=2SiO, при этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата и на дату подачи заявки могут быть использованы лишь совместно. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема установки для получения моноокиси кремния, на фиг.2 - график содержания SiO в газовой фазе при реакции SiО2+Si=2SiO, в об.%. Отличительной особенностью предлагаемого способа получения моноокиси кремния является то, что смесь мелкодисперсных термически обработанных порошков двуокиси кремния и кремния, взятых в стехиометрическом соотношении, вводят в расплав одного из реагентов (двуокиси кремния или кремния) при температуре 2200-3000К. Для определения оптимальных условий восстановления двуокиси кремния кремнием произведен термодинамический расчет реакции SiO2+Si=2SiO по пакету прикладных программ АСТРА-4, разработанных в МГТУ им. Баумана, которую широко применяют для расчета металлургических процессов и которая дает хорошее соответствие с экспериментальными данными при температурах выше 1000К (см. Моисеев А.Н., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. М.: Металлургия, 1994, 352 с.). Расчет проведен при атмосферном давлении в интервале температур от 800 до 4000К с исходными данными 70% SiO и 30% Аr. На фиг.2 приведено содержание SiO в газовой фазе в объемных %. Из фиг.2 видно, что максимальное содержание моноокиси кремния (68%) достигается при температуре 2200К. Этот расчет подтверждается тем, что давление паров SiO над системой Si-SiO2 достигает одной атмосферы при температуре 2146К (см. Куликов И.С. Термодинамика оксидов. М. : Металлургия, 1986, с. 102). Таким образом, восстановление двуокиси кремния кремнием наиболее эффективно протекает при температуре 2200-3000К. Этот процесс ведется в непрерывном режиме в защитной атмосфере, что исключает окисление полученной моноокиси кремния. Высокую скорость реакции обеспечивают оптимальной температурой проведения процесса и тем, что предварительно термообработанные мелкодисперсные порошки реагентов двуокиси кремния и кремния попадают на поверхность расплава одного из реагентов, что повышает площадь фазового контакта между реагентами. В предлагаемом способе получения моноокиси кремния не нужно испарять реагенты, что исключает затраты энергии на испарение исходных материалов и повышает КПД процесса. Предлагаемая установка (см. фиг.1) состоит из электродугового аргонового плазмотрона 7, состоящего из катодного узла 2 и сопла-анода 3, с шихтовводом 4; дозатора сыпучих материалов 5; реакционной камеры 6; водоохлаждаемой крышки 7; тигля из кварцевого стекла 8; выдвижного анода 9 и закалочного устройства 10. На водоохлаждаемой крышке 7 с отверстием для анода 9 и двумя пазами для тигля 8 и реакционной камеры 6 установлен медный водоохлаждаемый анод 9 с возможностью перемещения его в вертикальном направлении для установления необходимой для термообработки реагентов длины дуги и тигель 8 из термостойкого материала, например из кварцевого стекла. Электродуговой аргоновый плазмотрон 1 установлен сверху над реакционной камерой 6. На крышке 7 установлена реакционная камера 6, которая выполнена из термостойкого материала, например из кварцевого стекла. В нижней части реакционной камеры 6 установлено закалочное устройство 10, выполненное из водоохлаждаемой кварцевой трубки и служащее для вывода продукта и получения моноокиси кремния в твердой фазе. Все детали установлены герметично. Предлагаемый способ получения моноокиси кремния осуществляют следующим образом. Для предотвращения окисления полученного продукта процесс восстановления двуокиси кремния кремнием необходимо вести в защитной атмосфере инертного газа. Наилучшим из них для рассматриваемого процесса является аргон. Во-первых, можно организовать эффективную транспортировку мелкодисперсных порошков реагентов, так как атомная масса аргона высока - 40 г/моль. Во-вторых, эрозия электродов при использовании аргона в электродуговых устройствах минимальна, что обеспечивает выход качественного с точки зрения содержания примесей продукта. Предварительно выбранную фракцию порошков двуокиси кремния и кремния, взятых в стехиометрическом соотношении и смешанных до однородного состояния, засыпают в дозатор сыпучих материалов 5. Определяют расход транспортирующего газа, при котором подача смеси порошков в сопло-анод 3 электродугового аргонового плазмотрона 1 устойчива. Производят расчет движения и нагрева частиц порошков в потоке плазмы с целью определения оптимальной для термообработки траектории и длины дуги, которая обеспечивает плавление частиц порошка реагентов и их нагрев до температуры 2200-3000К. По данным проведенного расчета и диаметру сопла-анода 3 электродугового аргонового плазмотрона 1 определяют расход плазмообразующего газа аргона. Для обеспечения максимальной производительности расход мелкодисперсного материала определяют с помощью баланса энергии с учетом теплового эффекта реакции SiО2+Si= 2SiO при выбранной температуре. Например, при использовании фракции порошков реагентов 100-200 мкм расход транспортирующего газа составляет 1,33 л/мин, расход плазмообразующего газа 5 л/мин, длина дуги 8 см, расход шихты (смеси порошков реагентов) 6 г/мин при мощности дуги 2,4 кВт. При использовании фракции порошков 50-100 мкм расход транспортирующего газа составляет 0,8 л/мин, расход плазмообразующего газа 4 л/мин, длина дуги 6 см, расход шихты 6 г/мин при мощности дуги 2,4 кВт. На водоохлаждаемой крышке 7 с отверстием для анода 9 и двумя пазами для тигля 8 и реакционной камеры 6 устанавливают медный водоохлаждаемый анод 9 и тигель 8 из кварцевого стекла. Один из реагентов (Si или SiO2) в виде кусков размером до 1 см помещают в тигель 8, уровень засыпки на 1-2 см выше рассчитанной длины дуги. Затем на крышке 7 устанавливают реакционную камеру 6, которая выполнена из термостойкого материала, например из кварцевого стекла. В нижней части реакционной камеры 6 устанавливают закалочное устройство 10, выполненное из водоохлаждаемой кварцевой трубки и служащее для вывода продукта и получения моноокиси кремния в твердой фазе, так как при температурах 670-1200К моноокись кремния диспропорционирует по реакции 2SiO=SiО2+Si. Все детали устанавливают герметично, чтобы избежать утечки полученной моноокиси кремния. Дуга возбуждается сначала между катодом 2 и соплом-анодом 3 электродугового аргонового плазмотрона 7, потом переключается на выдвижной анод 9, который затем опускается на 2-3 см ниже мениска расплава. При получении расплава, находящегося в тигле реагента, в шихтоввод 4 электродугового аргонового плазмотрона 1 подают смесь мелкодисперсных порошков двуокиси кремния и кремния с помощью дозатора 5 и транспортирующего газа аргона. Не прореагировавшая в потоке плазмы часть реагентов полностью взаимодействует на поверхности расплава, находящегося в тигле 8. Полученная моноокись кремния вместе с аргоном выводится из реакционной камеры 6 в закалочное устройство 10. Проведенные расчеты полностью подтверждаются экспериментом. В экспериментах наблюдается полное взаимодействие реагентов. Например, при использовании фракции порошков реагентов 100-200 мкм расход транспортирующего газа составляет 1,33 л/мин, расход плазмообразующего газа 5 л/мин, длина дуги 8 см, расход шихты (смеси порошков реагентов) 6 г/мин при мощности дуги 2,4 кВт. При использовании фракции порошков 50-100 мкм расход транспортирующего газа составляет 0,8 л/мин, расход плазмообразующего газа 4 л/мин, длина дуги 6 см, расход шихты 6 г/мин при мощности дуги 2,4 кВт. Получено 51,65 г моноокиси кремния за 15 мин работы, что составляет 57,4% от теоретического выхода продукта. 42,6% моноокиси кремния оседает на холодных частях установки. Полученная моноокись кремния представляла собой ультрадисперсный порошок бурого цвета. Достоинствами предлагаемого способа получения моноокиси кремния и установки для его осуществления по сравнению с прототипом являются: применение более простой и доступной аппаратуры для нагрева реагентов - электродугового аргонового плазмотрона; более широкий диапазон рабочего режима установки вследствие применения выдвижного анода; расплав одного из реагентов - двуокиси кремния или кремния - обеспечивает полное взаимодействие реагентов в виде расплавленных порошков, поступающих на его поверхность; следует ожидать существенного понижения содержания примесей в полученной моноокиси кремния по сравнению с исходными веществами; более высокий КПД установки вследствие снижения температуры проведения процесса. Таким образом, представленная электродуговая установка для получения моноокиси кремния отличается высокой производительностью, экономичностью и высоким качеством продукта, промышленно применима.Формула изобретения
1. Способ получения моноокиси кремния по реакции SiO2+Si=2SiO нагревом смеси мелкодисперсных порошков двуокиси кремния и кремния, взятых в стехиометрическом соотношении, в атмосфере защитного газа, отличающийся тем, что предварительно термообработанные, расплавленные, мелкодисперсные порошки двуокиси кремния и кремния вводят в расплав одного из реагентов: двуокиси кремния или кремния при температуре нагрева 2200-3000К. 2. Установка для получения моноокиси кремния по реакции SiO2+Si=2SiO, включающая нагревательный элемент, установленный над реакционной камерой, дозатор, закалочное устройство, отличающаяся тем, что в качестве нагревательного элемента установка снабжена электродуговым аргоновым плазмотроном, в нижней части реакционной камеры установлен анод с возможностью вертикального перемещения для установления длины дуги, необходимой для нагрева смеси мелкодисперсных порошков двуокиси кремния и кремния до температуры 2200-3000К, кроме того, установка снабжена тиглем, размещенным внутри реакционной камеры и выполненным из термостойкого материала для помещения в него одного из реагентов - двуокиси кремния или кремния.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2
Похожие патенты:
Изобретение относится к промышленности синтеза минерального сырья и может быть использовано для получения синтетического материала со структурой благородного опала, в частности при последующей обработке аналога природного благородного опала, используемого, например, в ювелирной промышленности
Изобретение относится к способам получения фтористого водорода и оксидов металлов или кремния из соответствующих фторидов или отходов их содержащих
Способ получения монооксида кремния // 1791381
Способ модифицирования кремнезема // 1724574
Изобретение относится к химической технологии сорбентов, которые могут найти применение для поглощения, разделения и концентрирования жидких и газообразных веществ
Изобретение относится к аналитической химии и позволяет повысить селективность анализа в присутствии элементного кремния и его аморфного диоксида
Способ обработки аморфного диоксида кремния // 1691302
Изобретение относится к способам обработки аморфного диоксида кремния, используемого для изготовления оптических стекол, и позволяет получить продукт в виде прозрачных гранул однородного гранулометрического состава
Способ получения моноокиси кремния // 139657
Изобретение относится к неорганическим оксидным материалам, имеющим и мезопоры и микропоры, или мезопоры с пониженным количеством микропор, или микропоры с пониженным количеством мезопор, и к способу их получения
Способ получения кремнеземальдегидов // 2400468
Изобретение относится к способам получения кремнеземальдегидов, которые могут быть использованы в качестве твердофазной матрицы для иммобилизации ферментов и хромогенных реагентов
Изобретение относится к технологии получения высокопористых покрытий на основе систем двойных оксидов, применяемых в быстро развивающихся областях электронной техники и светотехнической промышленности, производстве материалов катализаторов, в качестве функционально-чувствительных, декоративных, фильтрующих и перераспределяющих излучение покрытий. Способ включает приготовление пленкообразующего раствора с последующим нанесением его на поверхность подложек, сушкой, отжигом и охлаждением. Свежеприготовленный пленкообразующий раствор выдерживают в течение 8-13 суток при температуре 6-8°С, сушку проводят при температуре 60°С в течение 30-40 минут с последующим нелинейным нагревом до 800-900°С в атмосфере воздуха - в первые 15-20 минут скорость нагрева максимальна и составляет 22°С/мин, в следующие 17 минут скорость нагрева поддерживают на уровне 18°С/мин, затем в течение 12 минут скорость нагрева составляет 12°С/мин, последние 40-20 минут скорость нагрева поддерживают на уровне 0,5°С/мин - и выдержкой при 800-900°С в течение 1 часа, постепенным охлаждением в условиях естественного остывания муфельной печи при следующем соотношении компонентов в пленкообразующем растворе, мас.%: тетраэтоксисилан 22,4-21,6, соляная кислота 1,3·10-4-1,2·10-4, дистиллированная вода 3,2-1, соль металла MnCl2·4Н2О 0,8-6,6, этиловый спирт (98 об.%) - остальное. Технический результат - упрощение способа получения высокопористого покрытия, более высокие значения коэффициента отражения в видимом диапазоне длин волн и коэффициента пропускания ближнего ультрафиолетового излучения с одновременным сочетанием невысоких значений показателя преломления и толщины. 1 ил., 2 пр.
Изобретение относится к конструкции упрочняющих теплоотражающих просветляющих покрытий для прозрачных пластиковых изделий, например для экранов средств индивидуальной защиты. Предложено упрочняющее теплоотражающее просветляющее покрытие на прозрачной пластиковой подложке, состоящее из адгезионного упрочняющего слоя геометрической толщиной 240-300 нм, выполненного из оксида кремния SiOx, при 1,5≤x<2,0, где x - степень окисления оксида кремния; проводящего слоя, выполненного из оксида олова SnO2, геометрической толщиной 260-300 нм, и просветляющего слоя, выполненного из диоксида кремния SiO2, геометрической толщиной 90-100 нм. Технический результат - нанесение предложенного покрытия на прозрачные пластиковые изделия повышает срок службы этих изделий с сохранением их прозрачности и повышением механической прочности. 2 ил., 3 пр.
Способ очистки кварцевых песков от железа // 2603934
Изобретение относится к гидрометаллургической очистке от железа кварцевых песков различной степени ожелезненности и может использоваться в горно-обогатительной, металлургической, стекольной, керамической, химической, электротехнической отраслях, в промышленности по производству строительных материалов. Сущность способа заключается в очистке от железа кварцевых песков в блоках по месту залегания песков или в чановом варианте со смачиванием и орошением песков культуральным раствором, содержащим факультативные анаэробы Saccharomyces, Oidium, Bacillus, Bacterium. Достигаемая степень очистки песков от железа 85-99%. Технический результат - повышение эффективности очистки от железа кварцевых песков различной степени ожелезненности по упрощенной технологии в экологически безопасных условиях. 7 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.
Способ модификации поверхности наночастиц оксида кремния с включенными квантовыми точками // 2611541
Настоящее изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано для получения стабильных водных растворов полупроводниковых квантовых точек, покрытых оболочками оксида кремния, модифицированных активной группой для биоконъюгирования и стабилизированных полиоксиэтиленом. Описан способ модификации поверхности наночастиц оксида кремния с включенными квантовыми точками, в котором готовят микроэмульсию, содержащую неполярный растворитель и поверхностно-активное вещество, затем добавляют квантовые точки и тетраэтоксисилан и перемешивают в течение 24 ч, после чего добавляют 3-аминопропилтриметоксисилан и 2-метокси(полиэтиленокси)6-9пропил-триметоксисилан и перемешивают в течение 24 ч, где в качестве неполярного растворителя используют гексан, в качестве поверхностно-активного вещества используют Brij L4, при этом в микроэмульсию добавляют деионизированную воду при следующем молярном соотношении компонентов: неполярный растворитель:поверхностно-активное вещество:деионизированная вода – 9:1:3; квантовые точки добавляют в количестве 0,5 нмоль на 1 мл неполярного растворителя, тетраэтоксисилан добавляют в количестве порядка 105 моль на один моль квантовых точек, 3-аминопропилтриметоксисилан и 2-метокси(полиэтиленокси)6-9пропил-триметоксисилан добавляют в количестве 1/30 моль на один моль тетраэтоксисилана. Технический результат: разработан способ модификации нанокомпозитов оксида кремния с квантовыми точками посредством пришивания амино- и ПЭГ-групп. 5 пр.
