Способ получения -карбида кремния

Авторы патента:

Симонов-Емельянов Игорь Дмитриевич (RU)

Владельцы патента RU 2472703:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова" (МИТХТ им. М.В. Ломоносова) (RU)

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Шунгит III-й разновидности, порошкообразное фенольное связующее и смазку смешивают. Полученную шихту вальцуют. Вальцованную массу измельчают, просеивают. Изготавливают заготовки методом компрессионного прессования. Заготовки загружают в вакуумную печь и нагревают до температуры 1900-2100 К со скоростью 200-300 К/ч при давлении в печи 0,3-1,1 кПа, выдерживают 1-2 ч при максимальной температуре и охлаждают при указанном давлении. Получают β-карбид кремния. Изобретение позволяет повысить выход готового продукта и получить β-карбид кремния стехиометрического состава непосредственно в виде пористых изделий. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

Изобретение предназначено для химической промышленности. Тугоплавкие пористые изделия из β-карбида кремния используют в качестве фильтров, теплоизоляции, абсорбентов и т.д.

В настоящее время карбид кремния получают термической обработкой смесей порошков из кремнезем- и углеродсодержащего вещества в различных печах.

Известен способ получения карбида кремния путем нагревания до 1600-1800°С природной горной породы - шунгита, содержащего кремнезем и углерод. Нагревание ведут со скоростью 200-300°С/ч в вакуумной печи при остаточном давлении в ее рабочем пространстве 0,25-1,3 кПа с выдержкой при максимальной температуре 1-2 ч, охлаждают с сохранением указанного остаточного давления. Недостатком этого способа является получение карбида кремния в виде порошка, который впоследствии необходимо перерабатывать в изделия весьма трудоемкими и энергоемкими методами порошковой металлургии (Патент РФ №2163563, БЮ №6, 27.02.2001. Способ получения карбида кремния. С01В 31/36).

Наиболее близким техническим решением к изобретению по достигаемому результату является известный способ получения β-карбида кремния, на основе хемогенных калиевых пород шунгита III и/или II разновидностей с величиной глиноземо-железистого модуля (Al₂O₃+FeO+Fe₂O₃)/C не более 0,2, где С, Al₂O₃, FeO, Fe₂O₃ - содержание углерода и оксидов алюминия и железа в шунгитовой породе. При использовании хемогенной калиевой породы III-й и/или II-й разновидностей шунгита и его нагреве со скоростью 200-300 К в час до температуры 1900-2100 К при давлении 0,3-1,1 кПа, выдержке 1-2 ч при максимальной температуре и охлаждении при указанном давлении образуется до 80-98% карбида β-модификации. Указанные пределы скорости нагрева обеспечивают равномерный прогрев шунгита по всему объему при максимальной производительности процесса. Содержание - модификации карбида кремния составило в продукте 98% при выходе карбида кремния 0,265 кг/кг шунгита [Патент РФ №2169701, опубликовано 27.06.2001. Способ получения β-карбида кремния. С01В 31/36].

Недостатком этого способа является низкий выход целевого продукта, что обусловлено низким (20 - 35 мас.%) содержанием углерода в шунгите III-й разновидности или избыточным его содержанием (35-80 мас.%) в шунгите II-й разновидности против требуемого по стехиометрии. В первом случае, например, при содержании углерода в шунгите 30,16% и оксида кремния 59,6% избыток последнего составил 9,2%, авторами был получен оксикарбид. При содержании углерода в количестве более 38-40% в шунгите II-й разновидности будет получен карбокарбид, что существенно снизит его жаростойкость на воздухе, при этом авторы не ограничивают соотношение содержания углерода и кремнезема, не гарантируют, таким образом, получение максимального выхода готового продукта стехиометрического состава.

Другим недостатком известного технического решения является получение продукта в виде порошка, а не готовых изделий, что требует дополнительных энергоемких операций для применения получаемой продукции.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение выхода готового продукта и получение β-карбида кремния стехиометрического состава непосредственно в виде пористых изделий заданной конфигурации.

Данный технический результат достигается тем, что в способе получения карбида кремния, включающем нагревание заготовок, содержащих шунгит III-й разновидности, до температуры 1900-2100 К со скоростью 200-300 К/ч при давлении 0,3-1,1 кПа, выдержке 1-2 ч при максимальной температуре и охлаждение при указанном давлении, материал для заготовок дополнительно содержит порошкообразное фенольное связующее и смазку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Шунгит III-й разновидности	64-90
Фенольное связующее	34-6
Смазка	2-4

а нагреванию подвергают предварительно сформованные заготовки изделий из полимерной композиции указанного выше состава.

Полимерную композицию и изделия-заготовки из нее готовят известными приемами, принятыми в производстве фенопластов и изделий из них [Кацнельсон М.Ю., Бадаев Г.А. Пластические массы: Свойства и применение: Справочник. - 3-е изд. перераб. - Л.: Химия, 1978. - 384 с.].

В предлагаемом способе используют выпускаемое промышленностью порошкообразное фенольное связующее на основе новолачной фенолоформальдегидной смолы и уротропина, которое, во-первых, позволяет получать изделия - заготовки высокоэкономичным способом, принятым в технологии пластмасс, и во-вторых, являясь углеродоносителем, позволяет получать из шунгита III-й разновидности с любым содержанием углерода (от 20 до 35 мас.%) - карбид кремния стехиометрического состава без примесей оксида или свободного углерода в виде изделий, минуя стадию получения пирофорного токсичного высокопористого порошка карбида.

В качестве смазки используют стеарин или стеарат цинка в количествах, обеспечивающих необходимые технологические свойства композиций при прессовании изделий - заготовок.

Пример 1. Связующее, стеарат цинка и порошок шунгита III-й разновидности в соответствии с рецептурой, приведенной в таблице, взвешивают, загружают в барабан смесителя и смешивают в течение 1 ч, после чего полученную шихту вальцуют на горячих вальцах при температуре 120-130°С. Вальцованную массу измельчают, просеивают через сито №2, изделия изготавливают методом компрессионного прессования при температуре 150-170°С, давлении 10 МПа и времени выдержки под давлением 5 мин. Изделия - заготовки из полимерной композиции загружают в вакуумную печь и нагревают до 1900 К со скоростью 300 К/ч при давлении в печи 1,0 кПа, выдерживают при температуре 1900 К 1 ч и охлаждают при указанном давлении. Выход готового продукта 0,327 кг/кг композиции или 0,387 кг/кг шунгита. По способу прототипа выход составил 0,265 кг/кг шунгита.

Рентгенофазовый анализ структуры изготовленного по предлагаемому способу тугоплавкого материала в виде пористых изделий показал, что получен карбид кремния с кубической структурой (а=4,3573Å), соответствующий β-модификации.

Общая пористость изделий 78%, открытая пористость 76%.

Примеры 2 и 3 выполняют, как описано выше с тем отличием, что компоненты берут в количествах, указанных в таблице.

Показатели	Пример 1	Пример 2	Пример 3	Прототип
мас.%
Состав шунгита:
углерод	30,6	20,1	35,0	30,16
оксид кремния	58,4	68,3	56,5	59,6
примеси	11,0	11,6	8,5	11,24
Состав шихты:
шунгит	84,5	64	90	100
связующее	12,9	34	6	-
смазка	2,6	2*	4	-
Выход готового продукта	кг/кг шунгита
0,387	0,456	0,374	0,265
Примечание к таблице. В примерах 1 и 3 в качестве смазки использовали стеарат цинка, в примере 2 - стеарин.

Конгруэнтная усадка изделий при нагревании по предлагаемому способу, в результате которого происходят процессы карбонизации фенольного связующего и последующего образования карбида кремния в изделиях - заготовках из полимерных композиций, позволяет формовать изделия сложной конфигурации и исключить механическую обработку.

Таким образом, по предлагаемому способу получают β-карбид кремния стехиометрического состава в виде готовых пористых изделий заданной конфигурации, не требующих дополнительной обработки, при этом выход готового продукта на 1 кг шунгита в зависимости от его исходного состава увеличивается в 1,4-1,7 раза.

1. Способ получения β-карбида кремния, включающий нагревание заготовок, содержащих шунгит III-й разновидности, до температуры 1900-2100 К со скоростью 200-300 К/ч при давлении 0,3-1,1 кПа, выдержку 1-2 ч при максимальной температуре и охлаждение при указанном давлении, отличающийся тем, что материал для заготовок дополнительно содержит порошкообразное фенольное связующее и смазку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Шунгит III-й разновидности	64-90
Связующее	34-6
Смазка	2-4

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что β-карбид кремния получают стехиометрического состава в виде готовых пористых изделий.

Изобретение относится к использованию в качестве энергоносителей исходных материалов, содержащих диоксид кремния. .

Способ получения поликристаллического карбида кремния // 2448041

Изобретение относится к производству неметаллических тугоплавких соединений. .

Способ одновременного получения нескольких ограненных драгоценных камней из синтетического карбида кремния - муассанита // 2434083

Изобретение относится к выращиванию и обработке монокристаллов синтетического карбида кремния - муассанита, который может быть использован для электронной промышленности, ювелирного производства, а также в качестве стекла или корпуса для часов.

Способ обработки шлифовальных порошков // 2401801

Изобретение относится к способам обработки шлифовальных порошков и непосредственно шлифовальных порошков, содержащих в качестве основного компонента карбид кремния и применяемых в таких областях как микроэлектроника, производство полупроводников.

Способ получения наноструктурированного материала // 2397144

Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к технологии получения нановолокнистого карбида кремния и наноструктурированного углерода. .

Способ получения нановолокон карбида кремния // 2393112

Изобретение относится к неорганической химии и может быть использовано в электронной промышленности и промышленности композиционных материалов. .

Способ получения формованных изделий на основе бетта-sic для применения в агрессивных средах // 2375331

Изобретение относится к способу получения композитного материала на основе -SiC, который включает: а) получение смеси, называемой «смесью-предшественником», содержащей, по меньшей мере один предшественник -SiC и по меньшей мере одну углеродсодержащую термоотверждаемую смолу, б) формование указанной смеси-предшественника в виде гранул, плит, труб или кирпичей, для получения промежуточного изделия, в) полимеризацию смолы, г) введение указанных промежуточных изделий в емкость, д) закрытие указанной емкости с помощью средства для закрывания, позволяющего избежать повышения давления газа, е) термообработку указанных промежуточных изделий при температуре 1100°-1500°С для удаления органических компонентов смолы и образования -SiC в конечном изделии.

Способ непрерывного пиролитического насыщения пористого длиномерного материала // 2373145

Изобретение относится к способу непрерывного пиролитического насыщения длинномерных пористых заготовок упрочняющим или защитным материалом. .

Углеродсодержащая композиция для получения силицированных изделий // 2370435

Изобретение относится к области производства конструкционных изделий на основе углерода или графита, в частности силицированного графита. .

Способ получения шихты для производства карбидокремниевой керамики твердофазным спеканием // 2359905

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к производству карбидокремниевой керамики твердофазным спеканием. .

Способ получения пористого наноструктурного карбида кремния // 2484017

Изобретение относится к неорганической химии и может быть использовано при изготовлении носителей катализаторов, фильтров, материалов для электроники

Высокопрочная нанопленка или нанонить и способ их получения (варианты) // 2492139

Изобретение относится к нанотехнологиям и предназначено для получения высокопрочной трубчатой или комбинированной нити, пленки или ленты (разница только в ширине) нанотолщины из тройной структуры бор-углерод-кремний B-C-Si (насколько мне известно, оно не имеет названия, поэтому далее будем называть его, а точнее - наноизделия из него - «старброн»)

Способ получения нанопорошка карбида кремния // 2493937

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к технологии получения нанопорошка карбида кремния. Может применяться для изготовления абразивных и режущих материалов, конструкционной керамики и кристаллов для микроэлектроники, катализаторов и защитных покрытий. Исходную смесь порошков кремния и углерода при молярном отношении реагентов, равном 1, подвергают высокоэнергетическому смешиванию в высокоскоростной планетарно-шаровой мельнице в течение 10-15 минут в атмосфере инертного газа при давлении 1-5 атм. Отношение массы шаров к массе исходной смеси в высокоскоростной планетарно-шаровой мельнице составляет (40-5):1, диаметр шаров равен 2-8 мм, частота вращения барабанов мельницы равна 1800-2500 об/мин. Полученную в мельнице смесь композиционных наночастиц кремния и углерода помещают в среду инертного газа при давлении 5-20 атм и температуре 300 К и инициируют реакцию получения нанопорошка карбида кремния в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Обеспечивается получение порошка высокой фазовой чистоты. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Способ получения больших однородных кристаллов карбида кремния с использованием процессов возгонки и конденсации // 2495163

Изобретение может быть использовано в изготовлении полупроводниковых материалов. Способ получения монолитных кристаллов карбида кремния включает i) помещение смеси, содержащей крошку поликристаллического кремния и порошок углерода, на дно цилиндрической реакционной камеры, имеющей крышку; ii) герметизацию цилиндрической реакционной камеры; iii) помещение цилиндрической реакционной камеры в вакуумную печь; iv) откачивание из печи воздуха; v) заполнение печи смесью газов, которые по существу являются инертными газами, до приблизительно атмосферного давления; vi) нагревание цилиндрической реакционной камеры в печи до температуры от 1975 до 2500°С; vii) снижение давления в цилиндрической реакционной камере до менее 50 Торр, но не менее 0,05 Торр; и viii) осуществление сублимации и конденсации паров на внутренней части крышки цилиндрической реакционной камеры. Изобретение позволяет получить большие кристаллы карбида кремния, создать воспроизводимый способ выращивания кристаллов с высокой степенью чистоты. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 пр., 2 табл.

Компонент системы сгорания и способ предотвращения накопления шлака, золы и угля // 2510687

Изобретение относится к компонентам высокотемпературных систем сгорания с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Предложены варианты компонента системы сгорания, содержащего композиционный материал и металлическую основу, где композиционный материал содержит карбид кремния и силицид тугоплавкого металла, содержащий фазу, выбранную из Rm5Si3, Rm5Si3C, RmSi2 и их сочетаний (Rm означает тугоплавкий металл, выбранный из молибдена, вольфрама и их сочетания). Предложен также способ предотвращения накопления шлака, золы и угля на поверхности, включающий размещение на этой поверхности наружного слоя из указанного композиционного материала. Технический результат - предложенные компоненты системы сгорания в высокой степени устойчивы к химическому воздействию со стороны шлака, термоударам и усталостному разрушению, кислотной коррозии и воздействию восстановительных сред. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 пр.

Способ получения тонкодисперсного поликристаллического карбида кремния // 2516547

Изобретение относится к производству поликристаллического карбида кремния. Способ получения поликристаллического карбида кремния включает металлотермическое восстановление натрием смеси тетрахлоридов кремния и углерода, взятой в мольном соотношении 1:1. Смесь хлоридов кремния и углерода подают в реактор охлажденной до (-5)-(-20)°С. Удаление избыточного натрия и образующегося хлорида натрия осуществляют выщелачиванием слабокислым раствором НСl при рН=5÷6,5. Изобретение обеспечивает увеличение дисперсности и гомогенности порошка поликристаллического карбида кремния, а также повышение содержания связанного углерода. 5 пр., 2 табл.

Способ карботермического синтеза дисперсных порошков карбида кремния // 2537616

Изобретение относится к получению порошкового карбида кремния, применяемого для производства деталей турбин, двигателей внутреннего сгорания, МГД-генераторов, теплообменников. Способ карбометрического синтеза дисперсных порошков карбида кремния включает перемешивание диоксида кремния и углеродсодержащего компонента, полученную смесь затем помещают в графитовый тигель с крышкой, который помещают во внешний тигель из оксида алюминия, засыпают слоем графитового порошка, который перекрывают слоем порошка маршалита или порошка кварца, нагревают и выдерживают. Изобретение позволяет упростить технологию синтеза порошкового карбида кремния. 1 ил.

Способ получения β-карбида кремния // 2542275

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ получения β-карбида кремния стехиометрического состава в виде готовых пористых изделий включает нагревание заготовки изделий из полимерной композиции до 800°C в защитной от окисления среде со скоростью 400-600°C/ч при атмосферном давлении и выдержку при 800°C в течение 1 ч с последующим охлаждением. Полимерная композиция содержит порошкообразное фенольное связующее на основе новолачной фенолформальдегидной смолы и уротропина, смазку, в качестве которой используют стеарин или стеарат цинка, и носитель диоксида кремния, в качестве которого используют биокремнезем, при следующем соотношении компонентов, масс.%: биокремнезем 48-50, фенольное связующее 47-48, смазка 3-5. Синтез β-карбида кремния осуществляют в изделиях, прошедших термообработку при 800°C, путем нагревания до 1300-1500°C со скоростью 400-700°C/ч при давлении в вакуумной печи 0,02-0,06 кПа с выдержкой при максимальной температуре в течение 1-5 ч. Изобретение позволяет снизить содержание примесей в шихте полимерной композиции и карбиде, а также повысить выход готового продукта - β-карбида кремния стехиометрического состава в виде пористых изделий заданной конфигурации. 1 табл., 3 пр.

Способ получения карбида бора // 2550848

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при финишной металлообработке, для производства керамической брони, при износостойкой наплавке. Шихту из смеси аморфного бора и высокодисперсного углеродного материала нагревают до 1700-1800°C в течение 15-20 минут. В качестве высокодисперсного углеродного материала используют нановолокнистый углерод. Изобретение позволяет снизить энергозатраты и предотвратить возможность появления примеси свободного углерода. 4 пр.

Способ синтеза нанокристаллического карбида кремния // 2559510

Изобретение относится к технологии получения нанокристаллического карбида кремния. Способ включает плазмодинамический синтез карбида кремния в гиперскоростной струе электроразрядной плазмы, содержащей кремний и углерод в соотношении 3,0:1, которую генерируют коаксиальным магнитоплазменным ускорителем с графитовыми электродами и направляют в замкнутый объем, заполненный газообразным аргоном при нормальном давлении и температуре 20°C, при этом температуру газообразного аргона в замкнутом объеме изменяют в диапазоне от -20°C до 19°C и от 21°C до 60°C. Технический результат - регулирование дисперсности нанокристаллического карбида кремния. 1 ил., 1 табл.