Способ получения β-карбида кремния

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.

 

Изобретение предназначено для химической промышленности. Тугоплавкие пористые изделия из 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.

Известны способы получения карбида кремния путем нагревания до 1600-1800°C природной горной породы - шунгита, содержащего кремнезем и углерод. Нагревание ведут со скоростью 200-300°C/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 [Патент РФ №2163563, опубликовано 27.02.2001. Способ получения карбида кремния; Патент РФ №2169701, опубликовано 27.06.2001. Способ получения бета-карбида кремния].

Недостатком этих способов является получение карбида кремния в виде порошка, который впоследствии необходимо перерабатывать в изделия весьма трудоемкими и энергоемкими методами порошковой металлургии.

Недостатком этих способов является также низкий выход целевого продукта и высокое содержание примесей в применяемом носителе диоксида кремния - шунгите.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения β-карбида кремния стехиометрического состава в виде готовых пористых изделий, включающий нагревание 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 предварительно сформованных заготовок изделий из полимерной композиции, содержащей носитель диоксида кремния, порошкообразное фенольное связующее и смазку при следующем соотношении компонентов, масс. %:

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

В качестве носителя диоксида кремния в известном техническом решении используют шунгит III разновидности [Патент РФ №2472703, опубликовано 20.01.2013. Способ получения β-карбида кремния].

Недостатками указанного способа являются высокое содержание примесей в шихте и готовом продукте, а также низкий выход целевого продукта, обусловленные применением в качестве носителя диоксида кремния природного минерала - шунгита.

Недостатками указанного способа являются также высокая температура синтеза карбида и низкая скорость нагревания, что делает способ длительным и энергоемким.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение содержания примесей в шихте полимерной композиции и карбиде, а также повышение выхода готового продукта - β-карбида кремния стехиометрического состава в виде пористых изделий заданной конфигурации при значительно меньших энергетических затратах.

Данный технический результат достигается тем, что в способе получения β-карбида кремния стехиометрического состава в виде готовых пористых изделий, включающем нагревание с заданной скоростью до температуры синтеза карбида при пониженном давлении, выдержку при максимальной температуре и охлаждение при указанном давлении заготовок изделий из полимерной композиции, содержащей порошкообразное фенольное связующее, смазку и носитель диоксида кремния, в качестве носителя диоксида кремния используют биокремнезем при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Биокремнезем 48-50
Фенольное связующее 47-48
Смазка 3-5,

при этом заготовки изделий из указанной полимерной композиции нагревают до 800°С в защитной от окисления среде со скоростью 400-600°С/ч при атмосферном давлении, выдерживают при 800°С. в течение 1 часа и охлаждают с печью, затем синтез β-карбида кремния осуществляют в изделиях, прошедших термообработку при 800°С, путем нагревания до 1300-1500°С со скоростью 400-700°C/ч при давлении в вакуумной печи 0,001-0,100 кПа с выдержкой при максимальной температуре в течение 1-5 часов.

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 из композиции с биокремнеземом и смазкой высокоэкономичным способом, принятым в технологии пластмасс, и во-вторых, являясь углеродоносителем, позволяет получать карбид кремния стехиометрического состава.

Биокремнезем представляет собой выпускаемый промышленностью высокодисперсный порошок с удельной поверхностью не менее 20 м2/г и средним размером частиц 800±100 нм. Благодаря высокопористой структуре биокремнезема изделия из полимерной композиции, содержащей биокремнезем, выдерживают высокие скорости нагревания вплоть до 400-600°C/ч без растрескивания на первой стадии термообработки, которая проводится для карбонизации фенольного связующего, и до 900°C/ч при нагревании до 1300-1500°C для синтеза карбида.

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

Пример 1. Изделия-заготовки из полимерной композиции, полученной в соответствии с рецептурой, приведенной в таблице, нагревают в защитной от окисления среде, например в коксовой засыпке в камерной или муфельной печи до 800°C со скоростью 600°C/ч, и выдерживают при этой температуре 1 ч, охлаждают с печью. Термообработанные изделия загружают в вакуумную печь и нагревают до 1300°C со скоростью 400°C /ч при давлении в печи 0,001 кПа, выдерживают при температуре 1300°C 5 ч и охлаждают при указанном давлении. Выход готового продукта 0,67 кг/кг биокремнезема. По способу-прототипу выход составил 0,374-0,456 кг/кг шунгита.

Примеры 2-3 выполняют, как описано выше, с тем отличием, которое указано в таблице по составу шихты и режимам термообработки.

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

Общая пористость изделий 82-84%, открытая пористость 80-82%.

Таблица
Показатели Пример 1 Пример 2 Пример 3 Прототип
1. Наполнитель:
Состав, масс.%
Биокремнезем Биокремнезем Биокремнезем Шунгит
оксид кремния 89,2 89,2 89,2 56,5-68,3
Углерод - - - 20,1-35,0
Примеси 10,8 10,8 10,8 8,5-11,6
2. Шихта:
Состав, масс. %:
Шунгит - 64-90
Биокремнезем 50 48 48 -
Связующее 47 48 47 6-34
Смазка 3 4 5 2-4
3. Карбонизация
связующего:
Температура, °C 800 800 800 -
Скорость
Нагревания, °C/ч 600 500 400 -
Давление, Атмосферное Атмосферное Атмосферное -
Время выдержки, ч 1 1 1 -
4. Синтез карбида
Температура, °C 1300 1400 1500 1600-1800
Скорость
Нагревания, °C/ч 400 500 700 200-300
Давление, кПа 0,001 0,010 0,100 0,2-1,1
Время выдержки, ч 5 3 1 1-2
5. Содержание примесей, масс.%
в шихте, 5,4 5,2 5,2 7,4-7,7
в готовом продукте:
Всего 16 15 15 24
в том числе: Al2O3 8,3 8 8 9,9
FeSi 3,5 3,4 3,4 10,2
6. Выход готового продукта, кг/кг наполнителя 0,67 0,63 0,6 0,374-0,456
7. Общая пористость изделий из карбида кремния, % 82 83 84 76

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 высокопористых изделий заданной конфигурации, не требующих дополнительной обработки, при этом выход готового продукта на 1 кг наполнителя увеличивается в 1,3-1,8 раза, содержание примесей снижается в шихте в 1,4 раза, а в готовом продукте в 1,8-2 раза. Применение биокремнезема позволяет вести карбонизацию с высокими скоростями нагревания при атмосферном давлении, а синтез карбида при пониженных на 300°C температурах и с более высокими скоростями нагревания, что делает способ более экономически выгодным по сравнению с прототипом.

Способ получения β-карбида кремния стехиометрического состава в виде готовых пористых изделий, включающий нагревание до температуры синтеза карбида кремния с заданной скоростью подъема температуры в вакууме, выдержку при максимальной температуре и охлаждение при указанном давлении заготовок изделий из полимерной композиции, содержащей порошкообразное фенольное связующее на основе новолачной фенолформальдегидной смолы и уротропина, смазку, в качестве которой используют стеарин или старат цинка, и носитель оксида кремния, отличающийся тем, что в качестве носителя оксида кремния используют биокремнезем при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Биокремнезем 48-50
Фенольное связующее 47-48
Смазка 3-5

при этом заготовки изделий из полимерной композиции нагревают до 800°С в защитной от окисления среде со скоростью 400-600°С/ч при атмосферном давлении, выдерживают при 800°С в течение 1 часа и охлаждают с печью, затем синтез β-карбида кремния осуществляют в изделиях, прошедших термообработку при 800°С, путем нагревания до 1300-1500°С со скоростью 400-700°С/ч при давлении в вакуумной печи 0,02-0,06 кПа с выдержкой при максимальной температуре в течение 1-5 часов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к получению порошкового карбида кремния, применяемого для производства деталей турбин, двигателей внутреннего сгорания, МГД-генераторов, теплообменников.
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.

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

Изобретение относится к использованию в качестве энергоносителей исходных материалов, содержащих диоксид кремния. .
Изобретение относится к производству неметаллических тугоплавких соединений. .
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.

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.

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.
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.

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.
Наверх