RU2687343C1 - Способ получения композиционного материала - Google Patents
Способ получения композиционного материала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2687343C1 RU2687343C1 RU2018110070A RU2018110070A RU2687343C1 RU 2687343 C1 RU2687343 C1 RU 2687343C1 RU 2018110070 A RU2018110070 A RU 2018110070A RU 2018110070 A RU2018110070 A RU 2018110070A RU 2687343 C1 RU2687343 C1 RU 2687343C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon carbide
- pressure
- deposition
- temperature
- reactor
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 12
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- UIUXUFNYAYAMOE-UHFFFAOYSA-N methylsilane Chemical compound [SiH3]C UIUXUFNYAYAMOE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 12
- 238000000151 deposition Methods 0.000 abstract description 12
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 11
- 239000004071 soot Substances 0.000 abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 abstract 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 abstract 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 7
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 4
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical class Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hydrogen chloride Substances Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 2
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 2
- 239000013354 porous framework Substances 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003902 SiCl 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- SLLGVCUQYRMELA-UHFFFAOYSA-N chlorosilicon Chemical compound Cl[Si] SLLGVCUQYRMELA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical group C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005055 methyl trichlorosilane Substances 0.000 description 1
- JLUFWMXJHAVVNN-UHFFFAOYSA-N methyltrichlorosilane Chemical compound C[Si](Cl)(Cl)Cl JLUFWMXJHAVVNN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009856 non-ferrous metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 239000012265 solid product Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/32—Carbides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к производству высокотемпературных композиционных материалов, обладающих высокой окислительной стойкостью, и может быть использовано в теплонагруженных узлах ракетно-космической и авиационной техники, в автомобиле- и тракторостроении для изготовления узлов очистки выхлопных газов, подшипников скольжения и торцевых уплотнений. Способ получения композиционного материала, имеющего пористый волокнистый карбидокремниевый каркас, включает осаждение карбида кремния на упомянутый каркас из газовой фазы метилсилана CH3SiH3 при температуре 550-700°С и давлении 50-130 Па с периодической откачкой реактора в течение 1-60 с со снижением давления до 0,1 Па. Обеспечивается увеличение скорости осаждения карбида кремния из метилсилана и уменьшение сажеобразования.
Description
Изобретение относится к производству высокотемпературных композиционных материалов с карбидокремниевой матрицей, в том числе обладающих высокой окислительной стойкостью, и может быть использовано в теплонагруженных узлах ракетно-космической и авиационной техники, в автомобиле- и тракторостроении для изготовления узлов очистки выхлопных газов, подшипников скольжения, торцевых уплотнений и пр.
Основным реагентом, используемым для получения высокотемпературных композитов с карбидокремниевой матрицей и покрытий из пиролитического карбида кремния, является метилтрихлорсилан CH3SiCl3 (МТС). Известно, что осаждение SiC из МТС проводят с достаточной скоростью в области температур 1000-1200°С или выше; при этом для получения композита используют градиент температуры и принудительную фильтрацию газа через каркас (D.P. Stinton, A.J. Caputo & R.A. Lowden. Synthesis of Fiber-Reinforced SiC Composites by Chemical Vapor Infiltration. - Am. Ceram. Soc. Bull., vol. 65, No. 2, 1986, p.p. 347-350), импульсную подачу реагента (К. Sugiama, Y. Ohzawa. Pulse Chemical Vapour Infiltration of SiC in Porous Carbon or SiC Particular Preform Using an R.F. Heating System. - J. Mater. Sci., vol. 25, No. 10, 1990, p.p. 4511-4517).
Однако использование МТС для газофазного осаждения приводит, в зависимости от условий, к образованию примесей из углерода и кремния, что ухудшает прочностные и антиокислительные свойства композита. Состав, структура и скорость роста твердого продукта зависит от многих параметров: температуры, давления, общего расхода газа, соотношения "Н2:CH3SiCl3:инертный газ" в реакторе, соотношения реакционной поверхности к объему и других факторов. Карбид кремния из МТС образуется в результате многостадийного химического процесса в газовой фазе с образованием ряда газообразных промежуточных соединений. Таким образом, управление процессом с большим числом параметров, определяющих состояние системы, каким является осаждение SiC из МТС, представляет значительную сложность. Оптимизация процесса с целью получения монофазного продукта - чистого стехиометрического SiC - затруднена. Изменение концентрации хлороводорода и промежуточных соединений по глубине пористого пространства ухудшает однородность заполнения каркаса. Как используемый в качестве исходного реагента МТС, так и газообразные продукты реакции (НСl, побочные хлорсодержащие продукты SiHCl3, SiCl4) являются летучими агрессивными вредными веществами, что вызывает необходимость мер по утилизации непрореагировавшего исходного реагента и продуктов, защите конструкционных материалов установки.
С целью преодоления этих недостатков применения МТС разработан способ получения композитов с карбидокремниевой матрицей с использованием экологически чистого реагента - метилсилана (МС) CH3SiH3 (патент РФ №2130509), в соответствии с которым в способе получения композиционного материала, включающем осаждение из газовой фазы карбида кремния на пористый каркас, в качестве исходного реагента используют метилсилан CH3SiH3, процесс ведут при 650-800°С в присутствии инертного газа при давлении 0,5-5,0 кПа. Данный способ позволяет снизить температуру получения композитов, получать в качестве карбидокремниевого осадка стехиометрический β-SiC, исключить необходимость утилизации химически агрессивных непрореагировавшего исходного реагента и продуктов разложения (продуктами разложения МС являются только карбид кремния и водород). Однако из-за низкого концентрационного порога сажеобразования - гомогенного разложения МС в газовой фазе с образованием дисперсных частиц - в данном способе осаждение карбида кремния из газовой фазы ведут при разрежении 0,5-5 кПа и значительном разбавлении инертным газом, что приводит в случае проведения длительных режимов осаждения (до нескольких недель непрерывно) к огромным затратам инертного газа (водород, гелий), необходимости обеспечить его эффективное перемешивания с метилсиланом, высокой нагрузке на откачные средства из-за больших объемов прокачки.
Отказ от применения разбавления МС инертным газом реализован в способе, взятом за прототип (А.В. Лахин, Е.А. Богачев, А.В. Манухин, А.Н. Тимофеев.// Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. - 2006 .- №1.- С. 55-58). В данном способе из-за необходимости ввиду опасности сажеобразования обеспечения в проточном реакторе низкой парциальной концентрации МС процесс осаждение SiC ведут при температуре 590-680°С и давлении 50 Па без разбавления инертным газом, что приводит к низким скоростям осаждения карбида кремния и большим временным затратам. При использовании процесса в крупногабаритных реакторах (до 1 м в диаметре и более) оказывается, что даже при давлениях ниже 50 Па в неизбежно возникающих застойных зонах реактора цилиндрического типа время пребывания молекул МС резко увеличивается, что приводит к их распаду с образованием гомогенных зародышей дисперсных частиц нежелательных осадков состава SiC:H, которые далее способны провоцировать лавинообразное выпадение гомогенного SiC.
Требуемым техническим результатом изобретения является увеличение скорости осаждения карбида кремния из МС и устранение указанной выше причины сажеобразования. Поставленная цель достигается тем, что в способе получения композиционного материала с карбидокремниевой матрицей, имеющего пористый волокнистый каркас, включающим осаждение карбида кремния без применения газов-разбавителей на пористый волокнистый каркас из газовой фазы метилсилана CH3SiH3, осаждение карбида кремния проводят при температуре 550-700°С и давлении 50-130 Па с периодической откачкой реактора в течение 1-60 с (в зависимости от размера реактора и производительности откачных средств) со снижением давления до 0,1 Па. При этом превышение давления выше 130 Па приводит к сажеобразованию, несмотря на периодическую очистку реактора от зародышей гомогенного распада МС, а откачка ниже 0,1 Па неэффективна, поскольку лишь увеличивает временные затраты эвакуации реактора, качественно не изменяя уровень его очистки.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующим примером.
Углеродный волокнистый каркас плотностью 0,8 г/см3 поместили в печь и нагрели до 640°С в среде, содержащей МС при давлении 120 Па. Измерение состава газов на выходе газового потока из печи, проведенное с помощью масс-спектрографа с датчиком в вакуумной системе печи, показало, что через 0,5 ч в смеси обнаружены частицы массой 44, соответствующие короткоживущим радикалам CH3SiH. Согласно данным литературы, именно эти частицы являются источником сажеобразования. Откачка реактора в течение 30 с до остаточного давления 0,1 Па позволило полностью очистить реактор, и уплотнение каркаса карбидом кремния при первоначальном давлении 120 Па было продолжено. За счет значительного увеличения давления процесса время насыщения пористого каркаса до плотности 1,6 г/см3 было уменьшено в 1,8 раза. При разгрузке реактора следы сажеобразования отсутствовали.
Claims (1)
- Способ получения композиционного материала, имеющего пористый волокнистый каркас, включающий осаждение карбида кремния на упомянутый каркас из газовой фазы метилсилана CH3SiH3, отличающийся тем, что осаждение карбида кремния проводят при температуре 550-700°С и давлении 50-130 Па с периодической откачкой реактора в течение 1-60 с со снижением давления до 0,1 Па.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018110070A RU2687343C1 (ru) | 2018-03-22 | 2018-03-22 | Способ получения композиционного материала |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018110070A RU2687343C1 (ru) | 2018-03-22 | 2018-03-22 | Способ получения композиционного материала |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2687343C1 true RU2687343C1 (ru) | 2019-05-13 |
Family
ID=66578753
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018110070A RU2687343C1 (ru) | 2018-03-22 | 2018-03-22 | Способ получения композиционного материала |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2687343C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1992001083A1 (en) * | 1990-07-13 | 1992-01-23 | Olin Corporation | Chemical vapor deposition (cvd) process for thermally depositing silicone carbide films onto a substrate |
| RU2130509C1 (ru) * | 1998-01-26 | 1999-05-20 | Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Композит" | Способ получения композиционного материала |
| WO2000019508A1 (en) * | 1998-10-01 | 2000-04-06 | Applied Materials, Inc. | Silicon carbide deposition method and use as a barrier layer and passivation layer |
| RU2241068C1 (ru) * | 2003-10-09 | 2004-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" | Способ получения композиционного материала |
-
2018
- 2018-03-22 RU RU2018110070A patent/RU2687343C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1992001083A1 (en) * | 1990-07-13 | 1992-01-23 | Olin Corporation | Chemical vapor deposition (cvd) process for thermally depositing silicone carbide films onto a substrate |
| RU2130509C1 (ru) * | 1998-01-26 | 1999-05-20 | Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Композит" | Способ получения композиционного материала |
| WO2000019508A1 (en) * | 1998-10-01 | 2000-04-06 | Applied Materials, Inc. | Silicon carbide deposition method and use as a barrier layer and passivation layer |
| RU2241068C1 (ru) * | 2003-10-09 | 2004-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" | Способ получения композиционного материала |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Лахин А.В. и др. Газофазное осаждение карбида кремния из метилсилана при относительно низких температурах и давлениях, Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия, N1, 2006, c.55-58. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vignoles et al. | CVD and CVI of pyrocarbon from various precursors | |
| US4824711A (en) | Ceramic honeycomb structures and method thereof | |
| Durif et al. | Open-celled silicon carbide foams with high porosity from boron-modified polycarbosilanes | |
| DE102017204258B4 (de) | Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers | |
| US9493873B2 (en) | Method for preparing a coating for protecting a part against oxidation | |
| CN1699285A (zh) | 一种制备高孔隙率多孔碳化硅陶瓷的方法 | |
| DE10057481A1 (de) | Verfahren zur Herstellung von hochreinem, granularem Silizium | |
| Cheng | An inorganic–organic hybrid precursor strategy for the synthesis of zirconium diboride powders | |
| RU2687343C1 (ru) | Способ получения композиционного материала | |
| US5472650A (en) | Method of making chemical vapor infiltrated composites | |
| RU2531503C1 (ru) | Способ изготовления изделий из композиционного материала | |
| US6489027B1 (en) | High purity carbon fiber reinforced carbon composites and manufacturing apparatus for use thereof | |
| Yang et al. | Growth process and mechanism of SiC layer deposited by CVD method at normal atmosphere | |
| DE69620577T2 (de) | Chemische abscheidung von mullitschichten und mullitpulvern aus der gasphase | |
| DE102015224120A1 (de) | Wirbelschichtreaktor und Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Siliciumgranulat | |
| Tang et al. | Effects of infiltration conditions on the densification behavior of carbon/carbon composites prepared by a directional-flow thermal gradient CVI process | |
| US9779850B2 (en) | Process for synthesizing carbon nanotubes on multiple supports | |
| RU2130509C1 (ru) | Способ получения композиционного материала | |
| Kim et al. | Improvement of nanoparticle filtration efficiency through synthesis of SiC whisker on graphite felt by the VS CVD mechanism | |
| Wulan et al. | The effect of mass ratio of ferrocene to camphor as carbon source and reaction time on the growth of carbon nanotubes | |
| DE2744636A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von hochreinem siliciumcarbidpulver und seine verwendung | |
| KR20200048314A (ko) | 화학기상증착을 이용한 SiC 나노와이어 균일 성장에 의한 고밀도의 탄화규소 복합체 제조 방법 및 이의 의해 제조된 탄화규소 복합체 | |
| Cerio et al. | Diamond growth using carbon monoxide as a carbon source | |
| KR20180008512A (ko) | 모노실란의 분해를 위한 공정 및 시설 | |
| Roman et al. | The preparation of carbon reinforced silicon carbide composites using the isothermal forced flow chemical vapour infiltration technique |