Способ электрохимического получения наноразмерного порошка силицида металла


C25B1/00 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2718022:

Костылев Виктор Алексеевич (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН) (RU)

Изобретение относится к получению наноразмерного порошка силицида металла. Загружают в герметичный тигель электролит, состоящий из галогенида щелочного металла и соли металла, и расходуемые компоненты микронных размеров в виде порошков металла и кремния, производят нагрев до рабочих температур синтеза силицида металла выше точки плавления электролита с получением ионного расплава в атмосфере аргона или углекислого газа. Для переноса в ионном расплаве металла на кремний с образованием наноразмерного порошка силицида металла обеспечивают анионно-катионный состав ионного расплава с электрохимическим потенциалом металла, более отрицательным, чем потенциал кремния, на величину >0,5 В. Застывший электролит с образовавшимся порошком извлекают из тигля, измельчают и подвергают гидрометаллургической обработке с получением наноразмерного порошка силицида металла. Обеспечивается электрохимическое получение наноразмерного порошка силицида металла. 1 пр.

 

Способ электрохимического получения наноразмерного порошка силицида металла

Изобретение относится к способу получения порошков силицидов металлов путем высокотемпературного электрохимического синтеза в ионных расплавах.

Предшествующий уровень развития промышленных технологий по производству порошков силицидов металлов.

Порошки силицидов металлов обладают высокими температурами плавления, высокой твердостью, высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью к различным средам и могут найти применение в производстве твердых износостойких и жаропрочных сплавов, обладающих высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, в энергетике в производстве лопаток турбин, в авиационной и космической технике для теплозащиты и многих иных применений. Потребительские свойства порошков силицидов зависят от их размера, стехиометрического состава, дефектности структуры, и загрязнения примесями: чем меньше размер, отсутствие дефектов и примесей, тем выше потребительские свойства порошков.

Большинство металлов при высоких температурах взаимодействуют с кремнием. На этом явлении основаны методы синтеза силицидов в промышленном производстве. Синтез силицидов осуществляют спеканием или сплавлением порошков металлов или их оксидов с порошками кремния или его оксидов и углерода при высоких температурах >1500°С в среде инертного газа или вакуума (Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. «Бориды». М., Атомиздат, 1975. 376 с., Самсонов Г.В., Дворина Л.А., Рудь Б.М. «Силицилы». М., «Металлургия», 1979 г., 272 с.). Синтез протекает путем доставки Si на поверхность металла и его последующей диффузии в металл с образованием различных фаз, а размерность синтезируемых частиц задается размерностью исходных металлических порошков или порошков их оксидов. Таким способом получают порошки микронных размеров силицидов Ti, Zr, Nb, Та, Mo, W и др. Практически значимый выход наноразмерных порошков отсутствует.

Известен способ получения силицида тугоплавкого металла, включающий приготовление шихты, состоящей из порошка тугоплавкого металла (Mo W, Та, Ti, Fe) и кремния с соотношением компонентов: металл - 23,0-38,0 ат. % и кремний - 62,0-77,0 ат. %, которую подвергают обработке в механохимическом реакторе в течение 20-40 мин при центробежном ускорении мелющих тел 400-1000 м/с2 и степени заполнения реактора мелющими телами 0,3-0,6 от объема реактора (патент РФ 2076065, МПК С01В 33/06, оп. 4.06.1994). Способ позволяет получить монофазные дисилициды металлов микронных размеров, сильно загрязненные материалом конструктивных элементов мельницы.

Известен электрохимический способ получения порошка силицида вольфрама, принятый за прототип, включающий загрузку в тигель электролизера электролита, содержащего хлорид, фторид натрия, вольфрамат натрия и диоксид кремния при следующем соотношении компонентов, мас. %: хлорид натрия от 56,75 до 57,33; фторид натрия от 40,75 до 41,17; вольфрамат натрия от 0,80 до 1,20 и диоксид кремния от 0,80 до 1,20, нагрев электролита и электролиз расплава при температуре 850-950°С и напряжении на ванне 2,8 В, при этом в качестве источника вольфрама используется вольфрамат натрия, а в качестве источника кремния - диоксид кремния. Способ позволяет получить порошок силицида вольфрама с использованием доступных солей, исключающих возможность загрязнения другими металлами, с размером частиц порошка 2-20 мкм (патент РФ 2629190, МПК С25В 1/00, оп. 5.08.2017).

Способ не позволяет получить наноразмерные порошки, из-за малого количества центров кристаллизации на поверхности катода, кроме того при данном способе необходимо постоянно поддерживать заданное соотношение компонентов электролита, что затрудняет процесс синтеза.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка электрохимического способа получения наноразмерных порошков силицидов металлов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе электрохимического получения наноразмерного порошка силицида металла, согласно изобретению загружают в герметичный тигель электролит, состоящий из галогенида щелочного металла и соли металла, и расходуемые компоненты микронных размеров в виде порошков металла и кремния, производят нагрев до рабочих температур синтеза силицида металла выше точки плавления электролита с получением ионного расплава в атмосфере аргона или углекислого газа, при этом для переноса в ионном расплаве металла на кремний с образованием наноразмерного порошка силицида металла обеспечивают анионно-катионный состав ионного расплава с электрохимическим потенциалом металла более отрицательном, чем потенциал кремния на величину >0,5 В, а застывший электролит с образовавшимся порошком извлекают из тигля, измельчают подвергают гидрометаллургической обработке с получением наноразмерного порошка силицида металла.

Использование в качестве расходуемых компонентов порошков металла и кремния микронных размеров с последующим нагревом до рабочих температур выше точки плавления электролита в герметичном тигле в атмосфере аргона или углекислого газа позволяет получить ионный расплав, в котором с использованием электрохимических транспортных реакций путем направленного самопроизвольного переноса как металлов, так и кремния их ионами через ионный расплав без электролиза возможно проведение синтеза порошка силицида металла заданного размера. Протекание электрохимических транспортных реакций в ионном расплаве приводит к переходу металла и кремния в расплав, а контролируемое поддержание анионно-катионного состава ионного расплава в зависимости от соотношения электрохимических потенциалов металла и кремния приводит либо к переносу металла на кремний, что позволяет получить порошки силицида металла заданной крупности. При переносе кремния на металл механизм синтеза тот же, что и в промышленных технологиях, что позволяет синтезировать порошки силицидов металлов микронных размеров. При переносе металла на кремний синтез протекает через механизм зарождения и роста кристаллов силицида на поверхности кремния (диффузия кремния в металл на порядки величин выше диффузии металла в кремний). Поскольку процесс кристаллизации протекает в объеме электролита при температурах значительно более низких, чем температуры плавления силицидов синтезируется наноразмерный порошок.

Перенос металла на кремний возможен для ионных расплавов, в которых используемый металл в электрохимическом ряду стоит левее Si и его электрохимический потенциал более отрицательный, чем потенциал кремния на величину >0,5 В. Таким образом можно получить наноразмерный порошок, например, силицида циркония.

Если электрохимический потенциал кремния и металла отличаются на величину <0,5 В, то возможен встречный перенос кремния и металла с формированием нано- и микроразмерных порошков. Например условный стандартный электрохимический потенциал тантала в чисто хлоридных расплавах при 800°С равен -1,3 В, а расчетный потенциал кремния -1,38 В. В силу специфических физико-химических свойств кремния, в отличие от других элементов, достоверные экспериментальные сведения по измерению равновесного электрохимического потенциала кремния в различных ионных расплавах отсутствуют. Поэтому для оценки положения кремния в электрохимическом ряду мы использовали расчетные значения потенциала кремния, полученные из измерений напряжения разложения.

Рассмотренный способ получения порошков силицидов металлов реализуется следующим образом. Компоненты электролита (галогенид щелочного металла и соль металла - оксид или фторид) и серийно выпускаемые порошки металла и кремния микронных размеров загружаются в герметичный тигель, производится его вакуумная откачка с одновременным нагревом до рабочих температур синтеза силицида металла. Затем пространство электролизера заполняется рабочим газом и включается мешалка. Состав газовой атмосферы выбирают с учетом того, что газы могут сдвигать окислительно-восстановительный потенциал электролита в ту или иную сторону. Синтез порошков в галогенидных ионных расплавах, как правило, ведется в атмосфере аргона или иного газа. Время синтеза для каждого соединения подбирается опытным путем. Процесс ведут в герметичном тигле в изотермических условиях при температурах выше точки плавления электролита. По окончании процесса застывший электролит с порошком извлекается из тигля, измельчается в щековой дробилке, проходит гидрометаллургическую обработку с последующей сушкой в сушильном шкафу.

Пример 1. Получение порошков ZrSi в хлоридно-фторидном электролите. Zr в электрохимическом ряду стоит левее Si (Zr отрицательнее Si на >0,5 В).

Тигель и мешалка выполнены из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Процесс синтеза выполнялся в электролите K2ZrF6(5%)+KCl(95%) при Т~850°С в атмосфере Ar в течение 5 часов. Расходуемые реагенты - порошок циркония марки ПЦрК-1 частицы >1 мкм, порошок кремния частицы<40 мкм (получен из поликристаллического кремния марки КР-00 в шаровой мельнице) использовались в количествах, необходимых для получения стехиометрического ZrSi. Был получен порошок темного цвета. Рентгенофазовый анализ показал, что порошок состоит из фаз ZrSi - 81% и Zr5Si4 - 19% с размерностью частиц ~60 нм.

Способ электрохимического получения наноразмерного порошка силицида металла, отличающийся тем, что загружают в герметичный тигель электролит, состоящий из галогенида щелочного металла и соли металла, и расходуемые компоненты микронных размеров в виде порошков металла и кремния, производят нагрев до рабочих температур синтеза силицида металла выше точки плавления электролита с получением ионного расплава в атмосфере аргона или углекислого газа, при этом для переноса в ионном расплаве металла на кремний с образованием наноразмерного порошка силицида металла обеспечивают анионно-катионный состав ионного расплава с электрохимическим потенциалом металла, более отрицательным, чем потенциал кремния, на величину >0,5 В, а застывший электролит с образовавшимся порошком извлекают из тигля, измельчают и подвергают гидрометаллургической обработке с получением наноразмерного порошка силицида металла.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электрохимическому получению чистого порошка карбида вольфрама, обладающего развитой поверхностью и электрокаталитическими свойствами. Ведут электролиз расплава, содержащего 35,0-45,0 мол.

Изобретение относится к электрохимическому получению наноразмерных порошков интерметаллидов гольмия и никеля, которые могут быть использованы в качестве катализаторов в химической и нефтехимической промышленности, в водородной энергетике для обратимого сорбирования водорода, а также для создания магнитных материалов.
Изобретение относится к электрохимическому синтезу магнитных материалов. Получают порошок интерметаллидов самария и кобальта.
Изобретение относится к электрохимическому получению порошкового иридия с высокой удельной поверхностью, который может быть использован в устройствах катализа горения многокомпонентных топлив при температурах до 2100°С без изменения химического состава и потери формы.

Изобретение относится к электрохимическому получению ультрадисперсных порошков интерметаллидов иттрия с кобальтом для создания магнитных материалов и ячеек хранения информации.
Изобретение относится к электролитическим способам получения чистого ультрадисперсного порошка гексаборида гадолиния. Порошок синтезируют электролизом из расплавленной среды, включающей хлорид гадолиния и фторборат калия в фоновом электролите при температуре 550±10°C в атмосфере очищенного и осушенного аргона.
Изобретение относится к электролитическим способам получения чистого гексаборида гадолиния. .
Изобретение относится к электролитическим способам получения чистого гексаборида церия. .

Изобретение относится к области электрохимического получения металлических порошков из расплавленных солей, в частности для получения высоко- и нанодисперсных порошков металлов и сплавов.
Изобретение относится к области электрохимического получения порошков металлов из расплавленных солей и может быть использовано в химической, электрохимической промышленности, энергетике.

Изобретение относится к способу определения удельной скорости процессов на поверхности материала в реакции фотостимулированного электролиза воды, включающему использование трехзондовой электрохимической ячейки с индифферентными электродами.

Изобретение относится к cпособу получения наноразмерных частиц серебра в водной среде, включающему помещение в дистиллированную воду, находящуюся в емкости, двух электродов, один из которых выполнен из серебра, пропускание между электродами постоянного электрического тока.

Изобретение относится к системам получения электрохимически активированных растворов для одновременного получения щелочной электролизованной воды и кислой электролизованной воды.

Изобретение относится к способу получения соединения формул (I) и ent-(I) путем электрохимического восстановления соединения формул (XVII), или M1a(S), или M1b(R), или смеси M1a(S) и M1b(R).

Изобретение относится к золь-гель технологии получения материалов на основе диоксида циркония со сфероидальной формой частиц. Может использоваться при получении порошков для плазменного напыления, горячего и холодного прессования, лазерного спекания.

Изобретение относится к способу электрохимического получения гипохлоритов магния и меди, включающему электролиз водного раствора хлорида магния и меди, при температуре электролита 20-25°С на медные электроды подают электрический ток напряжением 0,45-0,6 В.
Группа изобретений относится к электроду для применения в ваннах электрохлорирования, способу изготовления электрода и способу биоцидной обработки водного раствора хлорида натрия.

Изобретение относится к синтезу химических веществ, а именно к способу получения координационного соединения цинка с пиколиновой кислотой. Способ включает взаимодействие иона металла с лигандом в среде трехкомпонентного водно-органического растворителя с последующим отделением осадка.

Изобретение относится к устройству токоподвода к электроду для электролитического получения окислителей перекисного типа, содержащее выполненный с выемкой электрод, токоподводящую штангу, установленную в выемку с образованием кольцевого зазора, в который помещен легкоплавкий сплав.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Заявлена силовая установка транспортного средства, содержащая ДВС 50 для приведения в движение транспортного средства.

Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано для производства наноструктурированных материалов биомедицинского назначения. Способ получения суперпарамагнитных наночастиц на основе силицида железа Fе3Si с модифицированной поверхностью включает синтез силицида железа Fe3Si, перенос полученных наночастиц в водный раствор.

Изобретение относится к получению наноразмерного порошка силицида металла. Загружают в герметичный тигель электролит, состоящий из галогенида щелочного металла и соли металла, и расходуемые компоненты микронных размеров в виде порошков металла и кремния, производят нагрев до рабочих температур синтеза силицида металла выше точки плавления электролита с получением ионного расплава в атмосфере аргона или углекислого газа. Для переноса в ионном расплаве металла на кремний с образованием наноразмерного порошка силицида металла обеспечивают анионно-катионный состав ионного расплава с электрохимическим потенциалом металла, более отрицательным, чем потенциал кремния, на величину >0,5 В. Застывший электролит с образовавшимся порошком извлекают из тигля, измельчают и подвергают гидрометаллургической обработке с получением наноразмерного порошка силицида металла. Обеспечивается электрохимическое получение наноразмерного порошка силицида металла. 1 пр.

Наверх