Способ получения порошков из наночастиц карбида кремния, покрытых углеродной оболочкой



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

 


Владельцы патента RU 2609160:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (RU)

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.

 

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к способам получения химических соединений кремния термическим разложением газообразной смеси прекурсоров в адиабатическом процессе, и может быть использовано для создания технологий получения новых функциональных материалов с уникальными свойствами.

Известны способы получения порошков, основанные на испарении веществ с последующей конденсацией [1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. - М.: Физматлит, 2005. - 416 с.; 2. Патент RU 2359906, МПК С01В 33/02, 31.08.2007. Способ получения нанокристаллических порошков кремния], лазерной абляции [3. Umezu I., Takata M., Sugimura А / Surface hydrogeneration of silicon nanocrystals during pulsed laser ablation of silicon target in hydrogen background gas // J. Appl. Phys. 2008. V. 103. P. 114309] или испарением электрическим разрядом [4. LiuM., Lu G., Chen J. Synthesis, assambly and characterization of Si nanocrystals and Si-nanocrystal-carbon nanotube hybrid structures // Nanotechnology. 2008. V. 19. P. 265705], [5. Бочкарев A.A., Полякова В.И. Процессы формирования микро- и нанодисперсных систем. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2010. - 468 с.].

Основными недостатками таких способов являются высокая энергозатратность, широкое распределение частиц по размерам (от десятков до тысячи нм) и высокое содержание примесей в получаемом продукте.

Газофазный синтез позволяет получать нанодисперсные порошки [6. Былинкина Н.Н., Муштакова С.П., Олейник В.А. и др. // Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22. В. 6. С. 43-47], однако требует больших затрат энергии, использования сложного оборудования и не обеспечивает чистоты и монодисперсности целевого продукта.

Известен способ [7. Поздняков Г.А., Сапрыкин А.И., Яковлев В.Н. Получение наноразмерных порошков кремния разложением моносилана в адиабатическом процессе // ДАН Т. 456, №1, с. 1-4, 2014], выбранный в качестве прототипа, в котором наноразмерные структуры кремния получаются термическим разложением моносилана процессе его адиабатического сжатия. Техническая реализация метода заключается в том, что смесь газов, состоящую из аргона и моносилана, помещают в реактор, имеющий форму цилиндра, закрытого с одной стороны подвижным поршнем, а с другой - съемным фланцем. Двигая поршень, смесь газов адиабатически сжимают, вследствие чего ее температура повышается до температуры разложения моносилана. Образующиеся в процессе термического разложения моносилана частицы кремния, имеют близкое к монодисперсному распределение по размерам и образуют нитевидные структуры. После этого целевой продукт в виде «ваты» может быть извлечен из реактора. В зависимости от условий получения (температура, давление и др.) наночастицы кремния могут иметь аморфную или кристаллическую структуры. Известный способ позволяет получать целевой продукт в виде наноразмерных порошков кремния.

Задачей изобретения является разработка одностадийного способа получения композитных порошков, состоящих из наночастиц карбида кремния, покрытых углеродным слоем углерода с заданными размерами, морфологией, структурой и обладающими высокой электропроводностью.

Техническим результатом способа является получение порошков из наноразмерных частиц карбида кремния, покрытых углеродным слоем, обладающих высокой электропроводностью и однородностью по размеру.

Технический результат достигается тем, что получение порошков из наночастиц карбида кремния, покрытых углеродной оболочкой, достигается путем термического разложения моносилана в процессе адиабатического сжатия смеси моносилана в аргоне, в состав которой вводят ацетилен в количестве 2,5-15 об. %, адиабатическое сжатие обогащенной ацетиленом смеси ведут при начальном давление Р0, равном 0,105 МПа, и температуре Т0=170°С.

Отличительными признаками изобретения являются введение в реакционную смесь моносилана в аргоне ацетилена в количестве 2,5-15 об. % и адиабатическое сжатие обогащенной ацетиленом смеси при начальном давление Р0, равном 0,105 МПа, и температуре Т0=170°С.

Предлагаемый способ предоставляет возможность управления свойствами целевого продукта: размером частиц, их фазовым составом (аморфный или кристаллический карбид кремния) и толщиной и фазовым составом углеродного покрытия. Основные параметры процесса: соотношение компонентов газовой смеси, начальную температуру и степень сжатия выбирают исходя из требуемых свойств целевого продукта

Способ реализован на устройстве [8. Патент RU №2536500. Устройство адиабатического сжатия, приоритет от 29.01.2013. Яковлев В.Н].

Способ адиабатического сжатия реакционной смеси осуществляют следующим образом. Реакционный объем откачивают, затем заполняют смесью моносилана (как источника кремния), инертного газа-разбавителя (аргона) и ацетилена (как источника углерода) в заданной концентрации до давления (Р0) и нагревают до начальной температуры (Т0). Реакционную смесь газов адиабатически сжимают подвижным поршнем до требуемой степени сжатия (n). Температура смеси газов в реакторе быстро возрастает, достигая температуры (Tmax), при которой происходят интенсивные химические процессы с образованием наночастиц целевого продукта.

Быстрое протекание процесса, стабильность и однородность условий внутри реактора адиабатического сжатия в отличие от всех известных способов позволяет получать монодисперсные нанопорошки целевых продуктов.

Для определения химического состава нанопорошков использовали методы элементного CHN-анализа (EuroEA3000, Италия) и атомно-эмиссионной спектрометрии с возбуждением спектров в дуге постоянного спектрометра PGS-2 (Karl Zeiss, Германия). Для структурного анализа нанопорошков карбида кремния использовали рентгенофазовый метод анализа в геометрии скользящего пучка (дифрактометр фирмы Shimadzu XRD-600 на CuKα излучении). Для определения формы и размеров частиц карбида кремния (ядро) и слоя углерода (оболочки) использовали сканирующую и просвечивающую электронные микроскопии (сканирующие электронные микроскопы LEO-1430 (Leica Ltd, США), Zeiss EVO MA 15 (Karl Zeiss, Германия) и просвечивающий электронный микроскоп TITAN 80-300CS (FEI, Нидерланды)). Для определения распределения частиц по размерам использовали метод фотон-корреляционной спектрометрии (рефрактометр 90Plus, Brookhaven, США).

Следующие примеры показывают возможность получения наноразмерных порошков, карбида кремния, покрытых слоем углерода, и возможность регулирования толщины этой оболочки.

Пример 1. Для получения карбида кремния, покрытого 1-3-мя слоями графена, газообразную смесь прекурсоров: SiH4 (9,75 об. %) + Ar (85,75 об. %) + C2H2 (2,5 об. %) при начальном давлении Р0=0,105 МПа, температуре Т0=170°С. Степень сжатия 6.

Пример 2. Для получения карбида кремния, покрытого многослойной углеродной оболочкой, газообразную смесь прекурсоров: SiH4 (9,50 об. %) + Ar (85,50 об. %) + C2H2 (5,00 об. %) при начальном давлении Р0=0,105 МПа и температуре Т0=170°С сжимали до степени сжатия 7.

Пример 3. Для получения карбида кремния, покрытого многослойной углеродной оболочкой, газообразную смесь прекурсоров: SiH4 (8,75 об. %) + Ar (78,75 об. %) + С2Н2 (12,50 об. %) при начальном давлении Р0=0,105 МПа и температуре Т0=170°С сжимали до степени сжатия 8.

Изображения продуктов реакции, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEOL 2200, представлены на фиг. 1, 2 и 3, цифрами на изображениях обозначены: 1 - ядро из карбида кремния (выделено окружностью), 2 - углеродная оболочка (между встречными стрелками).

Измерения показали, что электропроводность полученного порошка тем выше, чем больше слоев имеет углеродная оболочка. Согласно данным CHN-анализа содержание углерода в нанопорошках, полученных при разных условиях, меняется в интервале от 20 до 80%. По данным атомно-эмиссионного спектрального анализа чистота полученных наночастиц составляет 99,98 мас. %.

Таким образом, предложенный способ позволяет выбором состава реакционной смеси и режимов адиабатического сжатия получать наночастицы карбида кремния с размерами 10-20 нм, покрытые углеродной оболочкой с толщиной от 2 до 20 нм.

Способ может быть масштабирован и реализован в технологических линиях, не требует сложного оборудования и высокой квалификации обслуживающего персонала.

Способ получения порошков из наночастиц карбида кремния, покрытых углеродной оболочкой, путем термического разложения моносилана в процессе адиабатического сжатия смеси моносилана в аргоне, отличающийся тем, что в состав реакционной смеси вводят ацетилен в количестве 2,5-15 об. %, адиабатическое сжатие обогащенной ацетиленом смеси ведут при начальном давление Р0, равном 0,105 МПа, и температуре Τ0=170°С.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии получения чистого наноструктурированного кремния и может быть использовано в разных областях полупроводниковой техники. Наноразмерные структуры кремния получают термическим разложением моносилана, которое проводят адиабатическим сжатием смеси 10 об.% моносилана в аргоне при начальном давлении 0,095 МПа и температуре 130°С.

Изобретение относится к технологии производства кремния высокой чистоты, который может быть использован в полупроводниковой промышленности, например, при изготовлении солнечных элементов или микрочипов.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности для получения высокочистого кремния. Способ включает этапы: получения трихлорсилана, получения моносилана посредством диспропорционирования трихлорсилана и термического разложения моносилана.
Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для получения синтетического кремния. .

Изобретение относится к термическому разложению летучих соединений, более конкретно к устройству и способу термического разложения летучих соединений элемента, выбранного из группы, включающей кремний, германий, углерод, титан, цирконий и их смеси.

Изобретение относится к способу получения моносилана высокой чистоты и низкой стоимости, пригодного для формирования тонких полупроводниковых и диэлектрических слоев, а также поли- и монокристаллического кремния высокой чистоты различного назначения (электроника, солнечная энергетика).

Изобретение относится к химической промышленности для получения термостойких высокопористых изделий из карбида кремния, которые используют в качестве фильтров, теплоизоляции, абсорбентов.

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.
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.

Изобретение может быть использовано при изготовлении изделий из композиционных материалов, предназначенных для работы в условиях воздействия внутреннего давления среды с высоким окислительным потенциалом.

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.
Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при финишной металлообработке, для производства керамической брони, при износостойкой наплавке.
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.

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).

Одноразовый многослойный полимерный предварительно заполненный контейнер для автомобильного топлива включает корпус, горловину с герметичной крышкой и средством для предотвращения повторного заполнения контейнера, устройство для переливания топлива в бак автомобиля.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике, машиностроении и т.д. Способ получения нанокомпозитного металл-керамического покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины включает нанесение ионно-лучевым распылением покрытия с необходимым процентным соотношением металлической и керамической фаз, при этом процентное соотношение металлической и керамической фаз определяют с помощью нейронной сети, для чего наносят покрытия с заданным шагом процентного соотношения фаз металл-керамика, изменяющимся в покрытии от нуля до максимума, определяют значения микротвердости нанесенных покрытий, затем на основании полученных данных создают искусственную нейронную сеть, проводят ее обучение, тестируют полученную нейросетевую модель путем последовательного исключения из статистической выборки, которая использовалась для ее обучения, экспериментально измеренных факторов нейросетевой модели, включающих микротвердость металлического покрытия, микротвердость керамического покрытия, концентрацию металлической фазы в композите и микротвердость нанокомпозитного покрытия в качестве выходного параметра модели, с последующим их определением при помощи полученной нейросетевой модели и сравнения полученных теоретических данных с исходными экспериментальными значениями, затем в искусственную нейронную сеть вводят значения микротвердости металлического и керамического покрытия, их процентное соотношение в получаемом покрытии и при помощи искусственной нейронной сети рассчитывают значение микротвердости металл-керамического нанокомпозитного покрытия при введенном процентном соотношении металлической и керамической фаз.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении пружин из стали горячей навивкой. Способ включает нагрев заготовки до температуры выше точки АС3, выдержку заготовки при температуре выше точки АС3, навивку заготовки в спираль при температуре выше точки АС3, охлаждение спирали до температуры мартенситного превращения и отпуск.

Изобретение относится к области огнегасящих порошков, выполненных в виде нанопорошка. Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в огнетушителе порошковом, содержащем корпус, заполненный огнетушащим порошком, устройство его вытеснения и подачи в очаг пожара, запорно-пусковое устройство и устройство распыления порошка в контролируемой зоне, огнетушащий порошок выполнен в виде нанопорошка.

Изобретение относится к химической и медицинской отраслям промышленности и может быть использовано в производстве исходного биосовместимого материала, пригодного для изготовления плотной и пористой керамики, применяющейся в качестве скэффолдов в инженерии костной ткани, мишеней для создания покрытий на металлических имплантатах в хирургии и стоматологии и в других областях медицины.
Наверх