Способ карботермического синтеза дисперсных порошков карбида кремния

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2537616:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт минералогии Уральского отделения Российской академии наук (RU)

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.

Изобретение относится к получению порошкового карбида кремния, применяемого для производства деталей турбин, двигателей внутреннего сгорания, МГД-генераторов, теплообменников и др., которые эксплуатируются в условиях повышенных температур и коррозионного воздействия, и может быть использовано при карботермическом синтезе дисперсных порошков карбида кремния путем взаимодействия порошкового углерода с порошком кремнезема при температуре 1400-1700°C.

Получение карбида кремния взаимодействием диоксида кремния с углеродом в системе SiC₂+C по реакции SiO₂+2C=SiC+CO является наиболее распространенным методом. Промышленные способы, разработанные еще Ачесоном, до сих пор не претерпели принципиальных существенных изменений. Известные способы получения порошкового карбида кремния, включая его ультрадисперсные формы, реализуют в печах, работающих в защитной атмосфере инертного газа (SU 1555279, публ. 07.04.1990 г. [1], SU 1636334, публ. 23.03.1991 г. [2], Петров А.П., Кеворкян В., Колар Д. журнал «Неорганические материалы», 1992, №4 [3]). Использование в процессе синтеза порошкообразного карбида кремния печей с защитной инертной атмосферой значительно усложняет технологию получения дисперсных порошков карбида кремния и увеличивает стоимость получаемого продукта.

Задача настоящего изобретения заключается в упрощении и удешевлении технологии синтеза порошкового карбида кремния.

Для решения поставленной задачи способ карботермического синтеза дисперсных порошков карбида кремния включает перемешивание диоксида кремния и углеродсодержащего компонента, нагрев и выдержку полученной реакционной смеси в печи в защитной атмосфере, при этом нагреву и выдержке подвергают реакционную смесь, помещенную в графитовый тигель с крышкой, который помещают во внешний тигель из оксида алюминия, засыпают слоем графитового порошка, слой графитового порошка перекрывают слоем порошкового керамического материала, имеющего температуру плавления выше 1600°C, а защитную атмосферу создают во внешнем тигле за счет газообразных продуктов, образующихся в процессе синтеза.

В качестве порошкового керамического материала используют порошок маршалита, или порошок кварца, или порошок оксида алюминия.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем. Если графитовый тигель с реакционной смесью поместить во внешний тигель из оксида алюминия, засыпать слоем графитового порошка, а слой графитового порошка перекрыть слоем порошкового керамического материала, который не взаимодействует с материалом тигля, имеет температуру плавления выше 1600°C и препятствует выгоранию графитового порошка, то при нагреве и выдержке реакционной смеси диоксида кремния и углеродсодержащего компонента в печи слой керамического материала замедляет выгорание защитного слоя графита и создает во внешнем тигле избыточное давление газов, препятствующее поступлению кислорода к защитному слою графита. За счет газообразных продуктов, образующихся в процессе синтеза при медленном выгорании слоя порошкового графита в условиях дефицита кислорода, доступ которого к порошку графита задерживается слоем керамического материала, во внешнем тигле из оксида алюминия образуется защитная атмосфера. Необходимость в использовании дорогостоящих и малопроизводительных печей с защитной инертной атмосферой отпадает. Для карботермического синтеза дисперсных порошков карбида кремния, осуществляемого путем взаимодействия порошкового углерода с порошком кремнезема при температуре 1400-1700°C могут использоваться печи, работающие в атмосфере воздуха.

Новый технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в создании защитной атмосферы в тигле с реакционной смесью в процессе синтеза порошкового карбида кремния в печах, работающих в атмосфере воздуха.

Способ иллюстрируется чертежом, на котором изображен графитовый тигель 1 с крышкой 2, в который помещена реакционная смесь 3, содержащая 60 мас.% SiO₂+40 мас.% C. В качестве кремнезема можно использовать порошок кремнезема или порошок искусственного аморфного кремнезема, полученного методом золь-гель синтеза. В качестве углерода можно использовать тонко помолотый порошок природного графита или другой углеродный материал. Тигель 1 с реакционной смесью 3, закрытый крышкой 2, помещен во внешний тигель 4 из Al₂O₃ и засыпан слоем 5 графитового порошка, который перекрыт слоем 6 порошкового керамического материала, имеющего температуру плавления выше 1600°C, не взаимодействующего с материалом внешнего тигля 4. В качестве порошкового керамического материала может использоваться порошок кварца или Al₂O₃. Лучшие показатели получены в опытах, в которых слой графита перекрывался маршалитом - природным материалом, состоящим из SiO₂ фракции 40-60 микрон с примесью каолина.

Экспериментальную проверку способа осуществляли следующим образом. Смешивали 60 мас.% порошка кремнезема с 40 мас.% тонко помолотого порошка природного графита. Смесь помещали в графитовый тигель 1 с крышкой, который помещали во внешний тигель 4 из оксида алюминия. Сверху на графитовый тигель насыпали защитный слой 5 графитового порошка, который засыпали слоем 6 тонко помолотого порошка маршалита. Слой маршалита замедляет выгорание защитного слоя графита и создает во внешнем тигле избыточное давление газов, препятствующее поступлению кислорода к защитному слою графита. Тигель с реакционной смесью помещали в электропечь сопротивления ТК.15-1750.1Ф с нагревателями «Лантрем» марки ХЛП-16/470/220/46 и выдерживали при температуре 1600°C в течение 4 часов. Охлажденный продукт выгружали из графитового тигля и прокаливали при температуре 1000°C до полного выгорания оставшегося углерода. Полученный после удаления углерода продукт обрабатывали 72% плавиковой кислотой для удаления избыточного кремнезема. Качество конечного продукта контролировали методом рентгеновского дифракционного анализа.

Заявленный способ позволяет получить продукт в виде мелкодисперсного и однородного по гранулометрическому составу порошка карбида кремния без использования дорогостоящих и малопроизводительных печей с нагревателями, работающими в защитной атмосфере инертного газа. Это упрощает и удешевляет технологию синтеза порошкового карбида кремния.

Способ карботермического синтеза дисперсных порошков карбида кремния, включающий перемешивание диоксида кремния и углеродсодежащего компонента, нагрев и выдержку полученной реакционной смеси в печи в защитной атмосфере, отличающийся тем, что нагреву и выдержке подвергают реакционную смесь, помещенную в графитовый тигель с крышкой, который помещают во внешний тигель из оксида алюминия, засыпают слоем графитового порошка, слой графитового порошка перекрывают слоем порошка маршалита или порошка кварца, а защитную атмосферу создают во внешнем тигле за счет газообразных продуктов, образующихся в процессе синтеза.

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.

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).

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.

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.

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 пористого наноструктурного карбида кремния // 2484017

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

Способ получения -карбида кремния // 2472703

Способ и устройство для получения энергии // 2451057

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 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.

Композиционный материал с углерод-карбидокремниевой матрицей для герметичных изделий и способ их изготовления // 2573515

Изобретение может быть использовано при изготовлении изделий из композиционных материалов, предназначенных для работы в условиях воздействия внутреннего давления среды с высоким окислительным потенциалом. Композиционный материал содержит каркас из термостойких углеродных и/или карбидокремниевых волокон, углерод-карбидокремниевую матрицу и придающий ему герметичность свободный кремний. Содержание карбида кремния в углерод-карбидокремниевой матрице и имеющихся в ней наноразмерных частиц углерода и/или карбида кремния изменяется по толщине материала изделия. Наибольшее содержание приходится на защитные слои, а наименьшее - на несущие слои материала изделия. Размер вкраплений свободного кремния в карбиде кремния в объеме и в поверхностных слоях не превышает соответственно 8-10 мкм и 2-3 мкм. Сначала изготавливают пористую заготовку из углеродсодержащего материала на основе термостойких углеродных и/или карбидокремниевых волокон с коэффициентами линейного термического расширения (клтр), близкими к клтр компонентов углерод-карбидокремниевой матрицы, имеющую открытую пористость, уменьшающуюся от защитных слоев к несущим слоям от 20-60 до 6-12%. Затем открытые поры заполняют нанодисперсным углеродом или его смесью с мелкодисперсным углеродом с размером частиц не более 5 мкм. Полученную заготовку силицируют паро-жидкофазным методом путем нагрева, выдержки при температуре завершения карбидизации кремния и охлаждения в его парах. Первоначальный массоперенос кремния в поры производят путем капиллярной конденсации его паров в интервале температур на заготовке 1300-1600ºС, давлении в реакторе не более 27 мм рт. ст. и при температуре паров кремния, превышающей температуру заготовки на 100-10°С. Технический результат: повышение эксплуатационных характеристик изготавливаемых изделий в условиях высокотемпературного воздействия окислительной среды и наличии перепада давления со стороны их внутренней и наружной поверхности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

Способ получения полидисперсного порошка карбида кремния // 2574450

Изобретение относится к производству неорганических соединений, а именно к карботермическому способу получения в промышленном масштабе химически стабильных полидисперсных порошков карбида кремния заданного зернового состава (5-150 мкм), предназначенных для получения на их основе абразивных порошков для шлифования и ударопрочной керамики. Способ получения полидисперсного порошка карбида кремния включает смешивание кварца молотого и сажи, компактирование шихты, карботермическое восстановление и измельчение карбида кремния. При этом карбометрическое восстановление до температуры 600ºС проводят в вакууме, а дальнейшее нагревание до температуры 1850-1900ºС со скоростью 4-6 град/мин проводят в токе аргона и выдерживают в течение 2-3 часов. Перед смешиванием сажу подвергают термообработке. Изобретение обеспечивает повышение химической чистоты и полидисперсности порошка карбида кремния, полученного эффективным способом. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Способ получения полидисперсного порошка карбида бора // 2576041

Изобретение относится к производству неорганических соединений, конкретно к карботермическому способу получения полидисперсных порошков карбида бора, предназначенных для получения на их основе абразивных порошков для шлифования и ударопрочной керамики. Способ включает смешивание борной кислоты и сажи, компактирование шихты, ее дегидратацию с получением спека борного ангидрида с углеродом, карботермическое восстановление борного ангидрида с получением порошка карбида бора и охлаждение. Перед смешиванием сажу подвергают термообработке, дегидратацию шихты производят по режиму, где первоначально нагревают до 140-160°С и выдерживают в течение 0,5-1 ч, затем нагревают до 240-260°С и выдерживают в течение 0,5-1 ч, далее нагревают до 380-430°С и выдерживают в течение 1-1,5 ч, после чего карботермическое восстановление борного ангидрида до 700°С ведут в вакууме, а дальнейшее нагревание до 1800-1850°С ведут со скоростью 4-6 град/мин в токе аргона и выдерживают в течение 2-3 ч, после чего охлаждение ведут в вакууме. Результат заключается в разработке эффективного способа получения качественного химически чистого полидисперсного порошка карбида бора заданного зернового состава от 5 до 150 мкм, не требующего интенсивного измельчения. 2 табл., 1 пр.

Полимерная композиция для получения карбида кремния // 2605257

Изобретение относится к химической промышленности для получения термостойких высокопористых изделий из карбида кремния, которые используют в качестве фильтров, теплоизоляции, абсорбентов. Полимерная композиция для получения карбида кремния стехиометрического состава в виде готовых пористых изделий 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 измельченные кварцевые волокна из промышленных отходов их производства, при следующем соотношении компонентов, мас.%: измельченные кварцевые волокна - 45,2-48,7; фенольное связующее - 46,1-52,0; смазка - 2,0-5,5. Изобретение обеспечивает расширение источников сырья для получения карбида кремния, повышение химической чистоты готового продукта, а также рациональное использование промышленных отходов производства кварцевого волокна. 1 табл., 5 пр.

Способ получения порошков из наночастиц карбида кремния, покрытых углеродной оболочкой // 2609160

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к способу получения наноразмерных порошков карбида кремния, покрытых углеродной оболочкой. Способ заключается в том, что смесь прекурсоров: моносилана, аргона и ацетилена, в которую ацетилен вводят в количестве 2,5-15 об.%, при начальном давлении Р0=0,105 МПа и начальной температуре Τ0=170°С подвергают термическому разложению в процессе адиабатического сжатия до образования целевого продукта. Изобретение обеспечивает получение наночастиц карбида кремния с размерами 10-20 нм, покрытых углеродной оболочкой с толщиной от 2 до 20 нм, обладающих высокой электропроводностью, а также возможность управления свойствами целевого продукта. 3 ил., 3 пр.

Способ получения композиционного порошка mb2-sic, где m=zr, hf // 2615692

Изобретение относится к неорганической химии и неорганическому материаловедению, конкретно к получению порошковых материалов состава MB2-SiC, где М = Zr, Hf, содержащих нанокристаллический карбид кремния. Получаемые композиционные порошки ZrB2-SiC и/или HfB2-SiC могут быть применены для нанесения защитных антиокислительных покрытий на углеродсодержащие материалы, в том числе и армированные углеродными и карбидокремниевыми волокнами, графитовые материалы, и для изготовления ультравысокотемпературных керамических материалов, используемых, в основном, для создания авиационной, космической и ракетной техники, отопительных систем, теплоэлектростанций, в технологиях атомной энергетики, в химической и нефтехимической промышленности. Получают композиционный порошок, обладающий повышенной окислительной стойкостью, представляющий собой композицию диборида циркония и/или диборида гафния с 10÷65 об. % нанокристаллического карбида кремния, для чего готовят раствор фенолформальдегидной смолы с массовым содержанием углерода от 5 до 40% в органическом растворителе, в котором диспергируют порошок диборида циркония и/или диборида гафния, после чего в полученную суспензию вводят тетраэтоксисилан с концентрацией от 1⋅10-3 до 2 моль/л, обеспечивающей стехиометрический синтез карбида кремния, а также кислотный катализатор гидролиза тетраэтоксисилана, далее при перемешивании проводят гидролиз тетраэтоксисилана при температуре 0÷95°C гидролизующими растворами с образованием геля, затем осуществляют сушку полученного геля при температуре 0÷250°C и давлении 1⋅10-4÷1 атм до прекращения изменения массы, полученный ксерогель подвергают двухстадийной термической обработке при пониженном давлении, на первой стадии при температуре от 400 до 1000°C в течение 0,5÷12 часов, на второй стадии при температуре от 1100 до 1450°C в течение 0,5÷12 часов. Получают композиционные порошки MB2-SiC, где М = Zr, Hf, содержащие нанокристаллический карбид кремния, характеризующиеся отсутствием посторонних фаз и повышенной окислительной стойкостью в токе воздуха по сравнению с порошками индивидуальных HfB2 и ZrB2. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 пр.

Способ получения ультравысокотемпературного керамического композита mb2/sic, где m = zr, hf // 2618567

Изобретение относится к технологии получения окислительно-стойких ультравысокотемпературных керамических композиционных материалов состава MB2/SiC, где М=Zr и/или Hf с нанокристаллическим карбидом кремния, которые могут быть использованы в качестве окислительно-, химически- и эрозионно-стойких материалов в потоках воздуха при температурах выше 2000°С, для создания авиационной, космической и ракетной техники, отопительных систем, теплоэлектростанций, а также в технологиях атомной энергетики, в химической и нефтехимической промышленности. Способ получения керамического композита MB2/SiC, где M=Zr и/или Hf, характеризующегося повышенной окислительной стойкостью, содержащего нанокристаллический карбид кремния в количестве от 10 до 65 об.%, заключается в том, что готовят раствор фенолформальдегидной смолы с массовым содержанием углерода от 10 до 40% в органическом растворителе, в котором диспергируют порошок диборида циркония и/или диборида гафния путем одновременного механического перемешивания и ультразвукового воздействия, после чего в полученную суспензию вводят тетраэтоксисилан с концентрацией от 1⋅10-3 до 2 моль/л и катализатор гидролиза тетраэтоксисилана, далее при перемешивании проводят гидролиз тетраэтоксисилана при температуре 0÷95°С гидролизующими растворами с образованием геля, затем осуществляют сушку полученного геля при температуре 0÷250°С и давлении 1⋅10-4÷1 атм до прекращения изменения массы, после чего осуществляют термическую обработку полученного ксерогеля при температуре от 400 до 800°С в течение 0,5÷12 ч в бескислородной атмосфере и при давлении ниже 1⋅10-4 атм с образованием высокодисперсного химически активного промежуточного продукта состава MB2/(SiO2-C), который далее подвергают высокотемпературному спеканию при температуре от 1600 до 1900°С в течение 0,1÷2 ч при механическом давлении от 20 до 45 МПа. Изобретение позволяет получать при относительно низких температурах и механическом давлении ультравысокотемпературные керамические композиты MB2/SiC, где M=Zr и/или Hf, обладающие повышенной окислительной стойкостью в токе воздуха, содержащие от 10 до 65 об.% нанокристаллического карбида кремния, без примесей посторонних фаз. 6 з.п. ф-лы, 6 ил., 4 пр.