ПОВЫШЕНИЕ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ КАРБИДА КРЕМНИЯ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 543.424; 544.169

ПОВЫШЕНИЕ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ КАРБИДА КРЕМНИЯ

М. Ю. Флерко, Д. В. Антишин, Т. А. Шалыгина Научный руководитель - С. Ю. Воронина

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: mflerko@list.ru

Исследованы образцы карбида кремния при различных этапах его модификации. Проведено сравнение функциональных групп на поверхности карбида кремния с помощью метода ИК-спектроскопии, дана оценка его реакционно способности.

Ключевые слова: модификация поверхности, карбид кремния, КН550, химическое травление, ИК-спектроскопия.

INCREASING THE REACTIVITY OF SILICON CARBIDE

M. Y. Flerko, D. V. Antishin, T. A. Shalygina Scientific supervisor - S. Y. Voronina

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

Е-mail: mflerko@list.ru

Samples of silicon carbide have been studied at various stages of its modification. The functional groups on the surface of silicon carbide were compared using the IR spectroscopy method, and its reactivity was evaluated.

Keywords: surface modification, silicon carbide, KH550, chemical etching, IR spectroscopy.

Введение. В 1991 году было обнаружено, что карбид кремния (SiC) в качестве материала хорошо подходит для работы при высоких температурах, мощностях и в условиях высокой радиации. Он обладает полупроводниковыми свойствами, химической стойкостью к окислению и химической инертностью [1]. Благодаря этим свойствам SiC имеет широкий спектр применений: в машиностроении, металлургии, атомной, аэрокосмической и химической промышленностях.

Данный наполнитель является интересным для разработки теплопроводящих композиционных материалов. SiC является химический инертным соединением, поэтому для использования всего потенциала в полимере, необходимо модифицировать его поверхность, которая определит химическую реакционную способность.

Модификация SiC сводится к образованию на его поверхности органических молекул. Такие молекулы обладают специфическими головными и концевыми группами для определенного химического связывания с полимером.

Цель работы - Исследовать изменение реакционных способности SiC на разных этапах модификации.

Задача - Определить качественный и количественный состава функциональные групп SiC на его поверхности, используя метод ИК-Фурье.

Выделяют 3 этапа модификации SiC.

Секция «Перспективные материалы и технологии»

1.Гидроксилированние поверхности. При окислении SiC образуются поверхностные слои SiO2. Поскольку наличие поверхностного слоя SiO2 является выгодным для дальнейшего модификации, так как стабильность этого материала хорошо известна. Кроме того, доступен ряд химических обработок для контролируемой модификации оксидных поверхностей с целью обеспечения определенной функциональности.

2. Удаление слоев оксида кремния химическим травлением. В работах [2-6] было произведено травление раствором «пираньи» (серная кислота/перекись водорода в соотношении 3:2), что привело к насыщению группами -OH. Которые пригодятся для следующего этапа модификации.

3. Силанизация. Для силанизации в настоящее применяются силаны - они являются наиболее распространенными и широко используемыми связующими агентами [7]. Силаны имеют огромные преимущества, практически, во всех сегментах рынка, в частности, благодаря взаимодействиям полимер/наполнитель и, как следствие этого, широко применяются для модификации поверхности минеральных наполнителей.

Объекты и методы исследования. Использовался SiC фракции F-1200 с размером зерен 5 мкм и 3- аминопропилтриэтоксисилан (КН550) в качестве силана. За основу процесса модификации поверхности SiC была принята методика, описанная в патенте [8].

Нами было получено 4 образца на разных этапах модификации SiC:

1. Карбид кремния исходный (SiC);

2. Карбид кремния после прокаливания (SiCt);

3. Карбид кремния после прокаливания и обработкой раствором «пираньи» (SiC^;

4. Карбид кремния после прокаливания и обработкой раствором «пираньи» и АПТЭС (S^).

Исследование образцов SiC, SiCt, SiC^ SiCа проводилось методом ИК-Фурье спектроскопии. ИК-спектры образцов регистрировали на спектрометре Nicolet iS 10 производства Thermo Scientific (США). Данные прибора фиксировались со спектральным разрешением 4 см-1, с усреднением по 32 сканированиям, в интервале 4000—400 см-1. Для обработки полученных ИК-Фурье спектров применяли программное обеспечение OMNIC. Пробоподготовка проводилась путем перетирания образцов SiC, SiCt, SiC^ SiCа с KBr в таблетки для метода пропускания. Результаты представлены на рис. 1.

УУауепитЬегэ [ст-1)

Рис. 1. ИК-спектры образцов 8Ю, 8Юк,

Обсуждение результатов. Идентификация образцов показала, что у исходного Б1С присутствуют пики БьС, а другие пики не наблюдаются. У образца БЮ; появились пики -ОН и БьО. На графике рис.1 пики БьО представлены на полосах поглощения 1080 и 460 см-1, а пики -ОН - на полосах поглощения с 3414 до 2849 см-1. Это указывает на наличие поверхностного слоя БЮ2 на исследуемом наполнителе. После обработки раствором «пираньи» увеличились пики -ОН и БьО у образца БЮк, что доказывает насыщением его

группами -OH поверхности карбида кремния. У образца SiCa появились межмолекулярные связи N-H (3438 см-1, 3049 см-1 и 802 см-1), С-N (1521 см-1) и -C-H (1419 см-1). Это свидетельствует о наличии 3- аминопропилтриэтоксисилана на поверхности карбида кремния.

Вывод. Проведена модификация карбида кремния для применения его в качестве теплопроводящего наполнителя в полимерном материале. Исследования показали, что наибольшую реакционную способность демонстрирует образец карбида кремния, после третьего этапа модификации поверхности, т.к. произошло присоединение 3-аминопропилтриэтоксисилана, о чём свидетельствует анализ ИК спектров. Таким образом, показано, что образец SiCa является наиболее перспективным для создания полимерных композиционных материалов.

Благодарность. Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России на выполнение коллективом научной лаборатории «Интеллектуальные материалы и структуры» проекта «Разработка многофункциональных интеллектуальных материалов и структур на основе модифицированных полимерных композиционных материалов способных функционировать в экстремальных условиях» (Номер темы FEFE-2020-0015).

Библиографические ссылки

1. Growth of large SiC single crystals / D. L. Barrett, J. P McHugh., H. M Hobgood, R. H. Hopkins, P. G. McMullin, R. C. Clarke, W. J. Choyke // Journal of Crystal Growth. 1993. № 128(1-4). C. 358-362.

2. The (0001)-surface of 6H-SiC: morphology, composition and structure / U. Starke, C. Bram, P. R. Steiner, W. Hartner, L. Hammer, K. Heinz, K. Muller // Applied Surface Science. 1995. № 89 (2). C. 175-185.

3. Johansson, L. I., Owman, F., Märtensson, P. High-resolution core-level study of 6H-SiC (0001) // Physical Review B. 1996. № 53(20). C. 13793-13802.

4. Van Elsbergen, V., Kampen, T. U., Mönch, W. Surface analysis of 6H-SiC // Surface Science. 1996. № 365(2). 443-452.

5. Starke, U., Schardt, J., Franke, M. Morphology, bond saturation and reconstruction of hexagonal SiC surfaces // Applied Physics A: Materials Science & Processing. 1997. № 65(6). 587596.

6. Electronic and chemical passivation of hexagonal 6H-SiC surfaces by hydrogen termination / N. Sieber, B. F. Mantel, T. Seyller, J. Ristein, L. Ley, T. Heller, D. Schmeißer // Applied Physics Letters. 2001. № 78(9). C.83-90.

7. Функциональные наполнители для пластмасс. / Под ред. М. Ксантоса. Пер. с англ. под ред. Кулезнева В.Н. — СПб.: Научные основы и технологии, 2010. — 462 с

8. Патент № 1636938 Китай, МПК C04B 35/626, C09C 3/10. Метод модификации поверхности карбида кремния : № 200410011270/09 : заявл. 26.11.2004 : опубл. 13.07.2005 / Ли Чжицян, Тан Ин, Ню Яньбэнь, Го Юнли, Чжан Чжичен, Пан Чженьюань, Лю Сюся - 7 с.

© Флерко М. Ю., Антишин Д. В., Шалыгина Т. А., 2022