CC BY
26
УДК:666.3.016; 666.3.019; 666.3.022.2 А.В. Феоктистов*, Н.А. Попова
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail:[email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ SiC ПРИ РАЗЛИЧНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ АМОРФНОГО БОРА
В результате работы были синтезированы твердые растворы на основе карбида кремния SiC с добавкой аморфного бора B в различных концентрациях. Было проведено измельчение в мельнице планетарного типа. Была изучена кинетика измельчения карбида кремния. Было изучено влияние высокоэнергетического измельченияи смешения на активность порошков SiC методом спектроскопии комбинационного рассеяния.
Ключевые слова: карбид кремния, твердые растворы, аморфный бор, высокоэнергетическое измельчение, планетарная мельница, спектроскопия, комбинационное рассеяние.
В связи с развитием техники появляются все более высокие требования к эксплуатационным свойствам используемых материалов появляется необходимость в получении материалов с более совершенным набором свойств и характеристик. Карбид кремния обладает уникальным набором физико-химических характеристик такими как низкая плотность, высокая прочность, твердость, модуль упругости и термостойкость. Однако он обладает низким коэффициентом диффузии, вследствие чего необходимым становится использование методом горячего прессования, горячего изостатического прессования и искрового плазменного спекания для получения материалов на его основе. Одним из путей увеличения диффузионной активности карбида кремния является легирование элементами, увеличивающими коэффициент диффузии и позволяющими получать материалы на его основе при более низких температурах.
С позиции твердых растворов наиболее интересными являются твердые растворы карбида кремния с примесями акцепторного типа (В, Be, Л1. Оа и др.), поскольку донорные примеси снижают коэффициент самодиффузии углерода Св материале, что приводит к резкому росту зерна и снижению механических свойств получаемого материала. К сожалению, растворение примесей в карбиде кремния носит сильный приповерхностный характер, что в свою очередь снижает растворимость добавок в нем. Ввиду данного факта является актуальным является изучение измельчения карбида кремния[1].
Изучение кинетики измельчения необходимо, поскольку знание кинетики измельчения, т.е. знание закономерностей поведения материала во времени в данной мельнице в данных условиях позволяет достигать желаемых результатов (определенного размера частиц, удельной поверхности) при минимуме затрат времени[2].
В настоящей работе была изучена кинетика измельчения карбида кремния на мельнице планетарного типа, которая позволяет проводить
высокоэнергетическое измельчение, и достигать субмикронных размеров порошка.
Измельчение проводилось на мельнице планетарного типа с добавкой ПАВ поливинилпирролидона(ПВП) со скоростью вращениян- = 2 00 об /мин, соотношением материал : мелящие тела от 1:6,5 до 1:14. В качестве мелящих тел использовались цильпебсы из карбида вольфрама WC.
Изучение кинетики любого процесса проводится с целью определения коэффициентов уравнения, описывающего данный процесс, или же с целью определения оптимального времени проведения процесса в случае, когда его невозможно описать математически в полном объеме. Процесс измельчения, ввиду множества факторов (твердость измельчаемого материала, барабана и мелящих тел, скорости барабана и диска и их соотношение, количество и размер мелящих тел, соотношение материала и шаров, среда и др.), влияющих на него не имеет разработанный математический аппарат, позволяющий описать данный процесс математически полностью. В соответствии с этим кинетика измельчения БЮизучалась при определении времени процесса, необходимого для получения необходимого результата.
Результат изучения кинетики представлен на рис. 1. Как можно видеть из полученных кинетических кривых, эффективность измельчения при увеличении соотношения материал : мелящие тела однозначно увеличивает эффективность измельчения. Также ясно видно, что при добавлении большего количества ПАВ увеличить эффективность измельчения. С временем эффективность измельчения падает, что можно объяснить образованием все большей удельной поверхности и нехватки имеющегося количества ПАВ для сорбции на новообразованных поверхностях. Было замечено, что при соотношениях материал: мелящие тела 1:6,5 после 30 мин измельчения достигается размер частиц (*(50 = 3,б5мкм). который является практически предельным при использовании данного вида измельчения в данных условиях.
Рис. 1 Кинетика измельчения карбида кремния в мельнице планетарного типа
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к получаемым порошкам, был выбран режим измельчения 60 мин при соотношении материал : мелящие тела 1:14 с добавкой ПАВ 0,05 масс. %, поскольку именно он давал наиболее дисперсный материал с наибольшейдисперсностью.
Полученный порошок БЮсмешивался в мельнице планетарного типа с добавкой бора в количестве 3, 5, 7 и 10 мас % в течении 90 минут. Полученные механические смеси изучались методом спектроскопии комбинационного рассеянияв зеленом лазере с длиной волны л = 532нм Результаты представлены на рис.2.
Из полученных спектров в полученных механических смесях содержится карбид кремния, которому отвечает 3 пика с величиной 950, 772, 213 см"1 (с некоторым смещением относительно карбида
кремния без примесей). Также, на спектре представлены пики величиной 496 и 1482 см"1. Первый из них относится к аморфному бору. Второй же пик не принадлежит ни аморфному бору, не выделившейся фазе карбида бора В4С, что позволяет сделать предположение об образовании твердого раствора на основе карбида кремния.
Полученные данные по изучению кинетики измельчения БЮ позволяют регулировать параметры высокоэнергетического измельчения, что дает возможность достигать желаемых результатов
- 0,85мкл).
Активация карбида кремния в мельнице планетарного типа и последующее
высокоэнергетическое смешение позволяют проводить образование твердого растворана его основе.
SiC-3%B 1
SiC-5%B 2
SiC-7%B 3
SiC-10%B 4
о о о
1Л
СМ
1500 1000 500
Raman Shift (cm-1)
Рис.2 Спектры комбинационного рассеяния для механических смесей, полученных высокоэнергетическим смешением
Феоктистов Алексей Владимирович, студент 1 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материаловРХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Попова Нелля Александровна, старший преподаватель кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Агеев О. А., Беляев А.Е., Болтовец Н.С. Кисилев В.С., Конакова Р.В. и др. Карбид кремния: технология,
свойства, применение / Под общей редакцией член-корр. НАНУ, д. ф.-м.н., проф. БеляеваА.Е. ид.т.н. КонаковойР.В.- Харьков: «ИСМА». 2010-532с.
2. Ходаков Г.С. Физика измельчения / Монография. Главная редакция физико-математической литературы
изд-ва "Наука", 1972.-307 с.
Feoktistov Aleksey Vladimirovich, Popova Nellya Aleksandrovna D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
STUDY OF SOLID SOLUTIONS SILICON CARBIDE SIC WITH DIFFERENT
CONCENTRATION OF DOPING BORON B
Abstract
In the present work, solid solutions of silicon carbidewere synthesized withdifferent concentration of amorphous boron. Mechanical activation of SiC were produce by mechanical milling in planetary mill. Kinetics of milling of SiC was studied. Influence of high-energy milling and mixing on properties of SiC were studied by Raman spectroscopy.
Keywords: silicon carbide, solid solution, amorphous boron, high-energy milling, planetary mill, raman spectroscopy.
