Способ получения бета-сиалона

Изобретение относится к получению сиалоновых материалов, применяемых в различных областях науки и техники. Предлагается способ получения бета-сиалона, в котором термообработку смеси порошка алюминия с площадью удельной поверхности, равной 22,0-24,0 м²/г, и кристаллического порошка кремния с площадью удельной поверхности 0,2-0,3 м²/г, взятых в соотношении 1:1, осуществляют нагреванием до температуры 1100-1200°С со скоростью нагрева 10-12°/мин в атмосфере воздуха. Технический результат изобретения - упрощение способа при высоком выходе готового продукта.

 

Изобретение относится к получению сиалоновых материалов, применяемых в различных областях науки и техники.

Известен способ получения бета-сиалона путем спекания в две стадии смеси порошков нитрида кремния, нитрида алюминия и оксида алюминия в среде азота при 1750-1850°С на первой стадии, а затем при 1100-1200°С и давлении 3,0-5,0 ГПа на второй стадии (а.с. СССР 1522704, МКИ C04B 38/02, 1994 г.). Способ характеризуется небольшим временем синтеза и позволяет получить однофазный бета-сиалон с полным отсутствием примесных фаз.

Однако недостатком известного способа является его сложность, обусловленная наличием двух стадий, условия проведения которых отличаются не только температурным режимом, но и использованием давления на второй стадии.

Известен способ получения порошка бета-сиалона путем карботермического восстановления каолина, который включает термообработку шихты в атмосфере азота при температуре 1710-1780°С в течение 5-25 мин. При этом шихта содержит углеродный компонент с размером частиц 20-500 нм, что позволяет получить бета-сиалон с заданным размером частиц (патент RU 2261848, C04B 38/02, 38/10, 2005).

Недостатком известного способа является его сложность, обусловленная необходимостью использования специальной атмосферы и высоких температур.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать простой способ получения бета-сиалона, обеспечивающий получение однофазного продукта с полным отсутствием примесей.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения бета-сиалона путем термообработки смеси алюминий- и кремнийсодержащих компонентов, в котором термообработку смеси порошка алюминия с площадью удельной поверхности, равной 22,0-24,0 м²/г; и кристаллического порошка кремния с площадью удельной поверхности, равной 0,2-0,3 м²/г, взятых в соотношении 1:1, осуществляют нагреванием до температуры 1100-1200°С со скоростью нагрева 10-12°/мин в атмосфере воздуха.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения бета-сиалона путем термообработки смеси предлагаемого состава в предлагаемом температурном интервале в атмосфере воздуха.

Исследования, проведенные авторами, позволили выявить возможность получения бета-сиалона без использования в качестве исходных компонентов нитридов алюминия и кремния. В предлагаемом техническом решении осуществляют термообработку смеси мелкодисперсных порошков кристаллического кремния чистотой 99,9 и порошка металлического алюминия, технологический регламент получения которого предусматривает этап стабилизации и пассивации, включающий постепенное поступление воздуха в реакционную камеру с последующим помещением и выдержкой продукта в инертном органическом растворителе, в результате чего на поверхность частиц порошка наносится защитный слой, предохраняющий от внешних воздействий при контакте с воздухом. При нагревании до температуры 1100-1200°С происходит окисление алюминия и кремния кислородом воздуха, при этом активность алюминия значительно повышается и он начинает реагировать с азотом воздуха. По данным рентгенофазового анализа в результате горения смеси на воздухе образуется бета-сиалон общей формулы Si_6-xAl_xO_xN_8-x, где 0≤х≤4,2.

Путем экспериментальных исследований авторами были определены параметры проведения процесса. При использовании в качестве исходных порошков с удельной площадью поверхности более или менее заявленных пределов, а также при выходе содержания исходных компонентов за пределы соотношения 1:1 наблюдается образование в конечном продукте смеси оксидов SiO₂ и Al₂O₃ и нитрида AlN. Этой же причиной обусловлен температурный интервал. В случае нагревания смеси порошков ниже 1100°С наблюдается образование в конечном продукте смеси оксидов SiO₂ и Al₂O₃ и нитрида AlN. В случае нагревания выше 1200°С наблюдается образование в конечном продукте смеси оксидов SiO₂ и Al₂O₃ и смешанного нитрида кремния и алюминия Al₂SiN₅. Скорость нагрева обусловлена следующими причинами: скорость нагрева менее 10°/мин не обеспечивает полноты прохождения реакции, при скорости нагрева более 12°/мин также рентгенофазовый анализ фиксирует только наличие малого количества бета-сиалона в конечном продукте, так как в этом случае образующийся бета-сиалон уже начинает окисляться и распадаться на оксиды алюминия и кремния.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Исходные компоненты для получения бета-сиалона, а именно кристаллический порошок кремния чистотой 99,9% с площадью удельной поверхности 0,2-0,3 м²/г (предварительно измельченный и просеянный) и порошок металлического алюминия, с площадью удельной поверхности 22,0-24,0 м²/г, смешивают в соотношении 1:1 и тщательно перетирают. Затем в тигле помещают в муфельную печь и нагревают в атмосфере воздуха до температуры 1100-1200°С со скоростью нагрева 10-12°С/мин. По достижению указанной температуры нагрев отключают, вынимают тигель и охлаждают до комнатной температуры. Проводят аттестацию полученного продукта рентгенофазовым анализом.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 0,52 г порошка кристаллического кремния чистотой 99,9 с площадью удельной поверхности 0,2-0,3 м²/г и 0,52 г порошка металлического алюминия с площадью удельной поверхности 22,0-24,0 м²/г. Порошки смешивают и тщательно перетирают. Затем помещают в тигле в муфельную печь и нагревают до температуры 1100°С в атмосфере воздуха со скоростью нагрева 10°С/мин. По достижению температуры 1100°С нагрев отключают, вынимают тигель и охлаждают до комнатной температуры. По данным рентгенофазового анализа получают бета-сиалон формулы Si_2,4Al_3,6О_3,6N_4,4. Примесные фазы отсутствуют.

Пример 2. Берут 0,52 г порошка кристаллического кремния чистотой 99,9 с площадью удельной поверхности 0,2-0,3 м²/г и 0,52 г порошка металлического алюминия с площадью удельной поверхности 22,0-24,0 м²/г. Порошки смешивают и тщательно перетирают. Затем помещают в тигле в муфельную печь и нагревают до температуры 1200°С в атмосфере воздуха со скоростью нагрева 12°С/мин. По достижению температуры 1200°С нагрев отключают, вынимают тигель и охлаждают до комнатной температуры. По данным рентгенофазового анализа получают бета-сиалон формулы Si_4,69Al_1,31O_1,31N_6,69. Примесные фазы отсутствуют.

Таким образом, авторами предлагается простой способ получения бета-сиалона в атмосфере воздуха, обеспечивающий высокий выход готового продукта.

Изобретение выполнено в рамках научной школы НШ - 752.2008.3.

Способ получения бета-сиалона путем термообработки смеси алюминий- и кремнийсодержащих компонентов, отличающийся тем, что термообработку смеси порошка алюминия с площадью удельной поверхности, равной 22,0-24,0 м²/г, и кристаллического порошка кремния с площадью удельной поверхности 0,2-0,3 м²/г, взятых в соотношении 1:1, осуществляют нагреванием до температуры 1100-1200°С со скоростью нагрева 10-12°/мин в атмосфере воздуха.