CC BY
101
УДК 621.762.2 + 536.46
ПОЛУЧЕНИЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ ПО АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ УГЛЕРОДА Сафаева Диана Радиковна, аспирант (e-mail: [email protected]) Титова Юлия Владимировна, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Майдан Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент, доцент (e-mail: [email protected] ) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Проведен анализ способов получения карбида кремния. Исследовано влияние различных источников углерода на морфологию и размер частиц карбида кремния, полученного по азидной технологии СВС. Частицы SiC наименьшего размера образуются при использовании активированного угля «АГ-2» на каменноугольной основе (70-150 нм).
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, азид натрия, горение, нанопорошок, карбид кремния, размер частиц.
Получение материалов с заданной структурой и свойствами было и остаётся актуальной проблемой материаловедения. Это относится и к материалам на основе углерода, т.к. их использование выдвигает всё более жёсткие требования к тем характеристикам их структуры, которые обуславливают химическую стойкость, высокие адсорбционные, прочностные, антифрикционные, теплоизоляционные и другие свойства.
В настоящее время преимущественное внимание исследователей сосредоточено на получении наноразмерных частиц SiC в матрицах, а также карбидокремниевых нанопроволок и нанотрубок. используют следующие основные технологические методы: электрохимическое и химическое травление, кабридизацию кремния и его оксида, имплантацию ионов углерода в кремний, совместную имплантацию ионов углерода и кремния в матрицы типа SiO2 [1].
Исходные реагенты для получения карбида кремния, также, как и методы получения, оказывают большое влияние на степень чистоты и структуру конечного продукта. В различных методах получения SiC используются различные модификации углерода в виде графита, кокса, сажи, древесного угля и др.
Разработан подход к выбору исходных регентов для синтеза карбида кремния методами карботермического восстановления и химического осаждения из газовой фазы [2]. Ключевым фактором, имеющим максимальное влияние не только на химию взаимодействия контактирующих фаз, но и физико-химические свойства конечного продукта является морфология
частиц исходных материалов. На основе данных экспериментального исследования карботермического восстановления диоксида кремния установлено, что размер кристаллитов и морфология частиц карбида кремния не зависят от источника диоксида кремния, а определяются природой углеродного материала (таблица 1).
Таблица 1 - Зависимость размера частиц БЮ от используемого источника _углерода [2]__
Источник углерода Размер БЮ частиц, нм Средний размер Б1С, кристаллитов, нм
Фенолформальдегидная смола (СФП-011Л) 50-110 16,9±0,6
Поливиниловый спирт ТУ 6-09-4004-67 40-90 25,3±1,0
Коллоидный графит (ТО-12) 30-80 11,6±0,5
Сажа (побочный продукт синтеза фуллеренов) 40-120 23,7±1,5
Многослойные углеродные нанотрубки 100-700 29,3±0,9
Авторы работы [3] в качестве источника углерода использовали сажу и древесный уголь. Показано, что объемный нагрев стехиометрической смеси Б1+С в потоке аргона, приводит к самовоспламенению (режим объемного горения) в гетерогенной среде при температуре ~ 1300 °С с образованием Р-БЮ порошков, которые имеют такую же морфологию, как и исходный углерод. Удельная поверхность Р-БЮ составила 5,8 и 6,2 м /г при использовании сажи и графита, соответственно. Размер кристаллита, определенный по уширению (111) рентгеновского пика, составил 200 нм в первом случае и 145 нм в последнем. Кроме того, было показано, что метод объемного горения позволяет эффективно осуществлять синтез чистых порошков БЮ, с содержанием 99,6% Р-БЮ, свободного кремния ~ 0,05 масс.%, свободного углерода ~ 0,1 масс.% и кислорода ~ 0,3 масс.%.
В работе [4] рассмотрена механическая активация (МА) реакционных порошковых смесей для получения субмикронного карбида кремния методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Для возможности контроля процессов МА и СВС были проведены дополнительные сравнительные исследования процесса МА при использовании различных источников углерода: сажи или графита. Исходные смеси в первом случае представляла собой крупные оскольчатые частицы кремния и пластинчатые частицы графита. Вторая исходная смесь состояла из крупных частиц кремния, размером до 20 мкм, вокруг которых концентрировались мелкие частицы (< 200 нм) сажи. Проведенные сравнительные исследования смесей, с добавлением сажи 81+С(сажа) и с графитом 81+С(графит), показали, что в случае применения графита композиционные частицы образуются практически с одновременным разрушением и уменьшением размера частиц двух компонентов и С). Для смеси Б1+С(сажа), т.к. сажа мелкодисперсная, происходит обволакивание сажей частиц кремния в процессе их разрушения. Но с увеличением продолжительности МА реакционные смеси становятся сложно отличимыми друг от
с использованием активированного
«БАУ» на древесной основе
а) б)
с использованием активированного угля «АГ-2» на каменноугольной основе
а) б)
с использованием сажи П700
а) б)
с использованием графита
а) б)
Рисунок 1 - Морфология частиц продуктов горения смеси «19Б1 + 20C + + (NH4)2SiF6»:
а) до операции промывки; б) после операции промывки
друга, как с точки зрения морфологии, так и с точки зрения БЭТ и РФА анализа. Известно, что применение азидной технологии СВС позволило получить из шихты состава «19Si+6NaN3+(NH4)2SiF6+20C» продукт, состоящий практически полностью из P-SiC - 89,4 %, с примесью a-Si3N4 -5,5 % и Si - 5,1 %, представляющий собой наноразмерные частицы карбида кремния (80-150 нм), объединенных в агломераты размером до 50 мкм.
Целью данной работы является исследование влияния различных источников углерода на морфологию и размер частиц карбида кремния, полученного по азидной технологии СВС.
Уравнение химической реакции получения карбида кремния по технологии СВС-Аз выглядит следующим образом:
19Si + 20C + 6NaN3 + (NH4)2SiF6 = 20SiC + 6NaF + 4H2 + 10N2.
(1)
В качестве источника углерода использовались следующие материалы: активированный уголь «БАУ» на древесной основе; активированный уголь «АГ-2» на каменноугольной основе; сажа П700; графит.
На рисунке 1 представлены результаты микроструктурного анализа продуктов реакции (1), полученные с помощью растрового электронного микроскопа «Jeol», до и после операции водной промывки в дистиллированной воде.
Из представленных фотографий видно, что в результате горения смеси «19Si+20C+6NaN3+(NH4)2SiF6» карбид кремния образуется в виде равно-сных частиц, размером от 70 до 200 нм. Частицы SiC наименьшего размера образуются при использовании активированного угля «АГ-2» на каменноугольной основе (70-150 нм). Список литературы
1. Андриевский Р. А. Наноразмерный карбид кремния: синтез, структура, свойства // Успехи химии, 2009. - № 78(9). - С. 889-900.
2. Севастьянов В. Г., Павелко Р. Г., Кузнецов Н. Т. Влияние природы прекурсоров высокодисперсного углерода на морфологию наночастиц карбида кремния // Химическая технология, 2007. - T. 1. - С. 12-17.
3. Pampuch R., Stobierski L., Liz J., Raczka M. Solid Combustion Synthesis of P-SiC powder // Mat. Res. Bull, 1987. - Vol. 22. - P. 1225-1231.
4. Московских Д.О., Мукасьян А.С., Рогачев А.С. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез нанопорошков карбида кремния // Доклады Академии Наук, 2013. - Т. 449. - № 2. - С. 1-4.
5. Titova Y.V., Illarionov A.Yu., Amosov A.P., Maidan Б.А. Development of SHS azide technology of silicon carbide nanopowder // International conference on mechanical engineering, automation and control systems 2016. - 177 (2017) 012115.
Safaeva Diana Radikovna, postgraduate student
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
Titova Yuliay Vladimirovna, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
Maydan Dmitriy Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
SYNTHESIS OF SILICONE CARBIDE BY AZIDE TECHNOLOGY SHS, USING VARIOUS CARBON SOURCES
Abstract. The analysis of the methods for the synthesis of silicon carbide is carried out. The influence of various carbon sources on the morphology and particle size of silicon carbide obtained by the azide technology of SHS was studied. Particles of SiC of the smallest size are formed when activated charcoal "AG-2" is used on a coal-bearing basis (70-150 nm).
Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, sodium azide, combustion, nanopowder, silicon carbide, particle size.
УДК 621.762.2 + 536.46
СВС ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА AlN С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЗИДА НАТРИЯ
И ГАЛОИДНОЙ СОЛИ (NH4)3AlF6 Титова Юлия Владимировна, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Майдан Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент, доцент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет г.Самара, Россия
В данной статье рассмотрена азидная технология СВС для получения нитридов. Представлены результаты экспериментально-теоретических исследований процесса синтеза микро- и нанопорошков нитрида алюминия в системе «(NH4)3AlF6+6NaN3+mAl» в режиме горения. Определены параметры горения и синтеза. Исследована морфология частиц микро- и нанопорошков нитрида алюминия.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез; галоидная соль; азид натрия; нитрид алюминия; нанопорошок.
Высокодисперсный порошок нитрида алюминия представляет большой интерес для различных отраслей промышленности, включая изготовление подложек для микроэлектроники, теплопоглотителей в светодиодной технике и высокомощной электронике, так как нитрид алюминия обладает очень высокими термическими, механическими, диэлектрическими и оптическими свойствами. Его трудно получить с помощью обычного механического измельчения, поэтому было разработано большое количество химических и физико-химических методов его получения, таких как прямое азотирование, плазмохимический синтез, карботермический синтез, химическое осаждение из газовой фазы, взрыв алюминиевой проволоки и др. Однако из-за большого энергопотребления, сложного оборудования, высокой стоимостью сырья, большинство из этих методов не используется для производства нано- и ультрадисперсного порошка нитрида алюминия.
В связи с этим несомненный интерес представляет технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), характеризую-
