RU2758311C1 - Способ получения карбидкремниевого войлока - Google Patents
Способ получения карбидкремниевого войлока Download PDFInfo
- Publication number
- RU2758311C1 RU2758311C1 RU2021107781A RU2021107781A RU2758311C1 RU 2758311 C1 RU2758311 C1 RU 2758311C1 RU 2021107781 A RU2021107781 A RU 2021107781A RU 2021107781 A RU2021107781 A RU 2021107781A RU 2758311 C1 RU2758311 C1 RU 2758311C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- felt
- temperature
- silicon carbide
- carbon
- silicon
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/90—Carbides
- C01B32/914—Carbides of single elements
- C01B32/956—Silicon carbide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/90—Carbides
- C01B32/914—Carbides of single elements
- C01B32/956—Silicon carbide
- C01B32/963—Preparation from compounds containing silicon
- C01B32/984—Preparation from elemental silicon
Abstract
Изобретение относится к способу получения карбидкремниевого войлока, который может быть использован в качестве химически стойких фильтрующих элементов, армирующего компонента для создания композиционных керамических изделий, для производства деталей, работающих в окислительных средах при высоких температурах. Предложен способ получения карбидкремниевого войлока парофазным силицированием углеродного войлока в засыпке кремния с предварительной термообработкой в сушильном шкафу в течение 5 часов при температуре 100°С, вакуумированием (1×10-5 мбар) до температуры 1100°С, и последующим силицированием в аргоне при температуре до 1650°С. Технический результат – техническая простота предложенного способа, сравнительно низкая температура синтеза и, соответственно, сравнительно низкая энергоемкость процесса, высокая химическая чистота продукта. 3 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к получению войлока карбида кремния, который может быть использован для получения керамики, в качестве армирующего компонента, градиентной керамики, для производства деталей, работающих в окислительных средах при высоких температурах, также такой карбид кремния может быть использован в качестве химически стойких фильтрующих элементов.
Известен способ изготовления высокотемпературного фильтрующего материала пропиткой углеродных волокон расплавленным кремнием RU № 2576439, опубл. 10.03.2016, B01D 39/20 «Способ изготовления высокотемпературного фильтрующего материала для агрессивных жидкостей и газов». В соответствии с данным способом проводится перемещение натянутой ленты из углеродной сетчатой ткани в горизонтальной плоскости в среде вакуума с подачей к ее поверхности расплавленного кремния. В результате силицирования углерод исходной сетчатой ткани превращается в карбид кремния с сохранением структуры ткани. Связка продольных нитей основы и поперечных нитей утка обеспечивается при силицировании ткани естественным образом. Функцию связующего выполняет кремний. Пластины силицированного материала нарезают алмазным инструментом и подвергают обработке в смеси плавиковой и азотной кислот с целью удаления избыточного кремния, что необходимо для вскрытия окон в материале, а также для увеличения температурного диапазона его использования. После отмывки и сушки материал может быть использован в качестве фильтрующего как в виде отдельных пластин, так и в виде пакетов из них. Недостатками метода являются технологическая сложность метода и низкая производительность, использование кислот в технологическом процессе, а также неоднородность получаемого продукта.
Известен способ получения волокон SiC методом химического осаждения из газовой фазы на нить-подложку (Galasso F., Basche М., Kuehl D. Preparation, structure and properties of continuous silicon carbide filaments // Appl. Phys. Lett. 1966, 9 (1), 37-39). В соответствии с данным способом в качестве реагентов используют газовые смеси метилхлорсиланов (CH3SiCl3, CH3SiHCl2, (CH3)2SiCl2) с водородом, либо другим газом-носителем, а в качестве подложек - вольфрамовые или углеродные нити диаметром 15-30 мкм. Осаждение проводят при температурах 1200-1400°С. Данный способ позволяет получать непрерывные волокна SiC диаметром 80-140 мкм, которые обладают высокими показателями предела прочности на разрыв и модуля упругости. Недостатком метода является ограничение в применении получаемых волокон из-за их высокой жесткости и большого диаметра.
Известен способ получения протяженных карбидокремниевых волокон путем пиролиза кремнийорганических соединений [A novel method for massive fabrication of β-SiC nanowires. F.Li, E.G. Wen. J Mater Sci (2007) 42: 4125-4130]. При пиролизе при температурах 1500÷1600°С получают протяженные нановолокна карбида кремния диаметром 50÷200 нм. Недостатками данного метода являются высокая температура синтеза, низкий выход продукта и высокая стоимость исходных реагентов.
Известен способ получения карбидкремниевых волокон RU №2427673 С1 «Прядильный раствор для электроформования, способ получения волокон электроформованием и волокна карбида кремния» опубл. 27.08.2011 D01D 1/02, D01D 5/00. Способ включает приготовление раствора поликарбосилана (ПКС) со сшивающим агентом и (по желанию) фотоинициатором, получение волокон ПКС методом электроформования с одновременной сшивкой волокон ПКС за счет облучения светом в видимом или ультрафиолетовом диапазонах и последующую термообработку для конвертации волокон ПКС в волокна карбида кремния. Полимерный войлок подвергали термической обработке для конвертации волокон поликарбосилана в керамические волокна. Режимы такой термообработки зависели от условий, при которых проводилось облучение образца УФ, в частности от атмосферы. Для войлока, облучение которого проводилось в инертной атмосфере, термообработка проводилась по следующей схеме:
1) нагрев в слабом потоке защитного газа (азот, аргон) до 220°С со скоростью не более 1°С в минуту;
2) выдержка при 220°С в течение 2 ч;
3) нагрев до 600°С со скоростью не более 1°С в минуту;
4) выдержка при 600°С в течение не менее 1 ч;
5) нагрев до 1600°С со скоростью не более 3°С в минуту;
6) выдержка при 1600°С в течение не менее 3 ч;
7) охлаждение до комнатной температуры.
При таких режимах термообработки получали волокна из кристаллического карбида кремния. Содержание аморфной фазы карбида кремния ниже предела регистрации рентгенофазовым методом. Выход карбида кремния составляет 65-80% от массы поликарбосилана в зависимости от типа и концентраций сшивающего агента и фотоинициатора. К недостаткам метода можно отнести трудоемкий процесс сшивки волокон ПКС, длительный режим термообработки и низкий выход продукта.
Наиболее близким является способ получения волокон, описанный в патенте RU №2694340 опубл. 11.07.2019 С01В 32/956, С01В 32/97 «Способ получения текстильных карбидокремниевых материалов». Углеродные волокна или текстильные материалы на их основе, имеющие форму ткани, ленты, нити, нетканого полотна или иные, помещают в реактор периодического действия, внутри которого находится материал, генерирующий при нагревании газ SiO в количестве не менее 1.85 г на 1 г силицируемого углеволоконного материала. В качестве материала, генерирующего газ SiO, используют реакционные смеси, содержащие SiO2 в комбинации либо с кремнием, либо с углеродом, либо с карбидом кремния. Силицирующую термическую обработку проводят в условиях непрерывной вакуумной откачки газообразных продуктов при температуре не ниже 1350°С в течение не менее 120 минут, при этом нагрев выше 1300°С ведут со скоростью не более 6°С/мин. Полученный материал представляет собой карбид кремния со структурой кубической полиморфной модификации (β-SiC). Недостатками данного метода являются сложная конструкция реактора и продольное растрескивание волокон, что будет сказываться на физико-механических свойствах.
Задачей настоящего изобретения является получение карбидкремниевого войлока методом парофазного силицирования углеродного войлока, который может быть использован в качестве химически стойких фильтрующих элементов, армирующего компонента для создания композиционных керамических изделий, для производства деталей, работающих в окислительных средах при высоких температурах.
Технический результат заключается в методе парофазного синтеза войлока карбида кремния, техническую простоту, сравнительно низкую температуру синтеза, а, следовательно, сравнительно низкую энергоемкость и химическую чистоту получаемого продукта.
Технический результат достигается тем, что способ получения карбидкремниевого войлока включает размещение в вакуумной печи периодического действия углеродного текстильного материала, силицирование углеродного материала методом парофазного силицирования с применением температуры свыше 1300°С, отличающийся тем, что для силицирования углеродных волокон в качестве источника газа использовали пары кремния, в качестве силицируемого материала используют углеродный войлок в виде квадратных образцов, которые вертикально помещают в тигель, выстилаемый углеродной фольгой для предотвращения взаимодействия тигля с жидким кремнием, засыпают порошком кремния, предварительно термообрабатывают в сушильном шкафу в течение 5 часов при температуре 100°С, нагревают в вакуумной печи при вакууме 1×10-5 мбар до температуры 1100°С со скоростью нагревания 5°С/мин, затем камеру вакуумной печи заполняют аргоном до избыточного давления давлении 1,2 атм и продолжают нагревание до 1650°С со скоростью 10°С/мин, с выдержкой при указанной температуре в течение 20 минут, после чего охлаждают, полученные образцы войлока обрабатывают сжатым воздухом для удаления порошка засыпки с поверхности.
Вакуумирование необходимо для удаления из реакционной емкости кислорода и влаги, чтобы не допустить окисления поверхности частиц кремния. В качестве кремния необходимо использовать порошок кремния с содержанием примесей не более 0,01% с размером частиц 0,5-10 мкм, а в качестве углеродного войлока использовать углеродный войлок Карбопон В-22 с содержанием углерода не менее 99,9% и диаметром волокон 7-10 мкм. Перед проведением силицирования графитовый тигель с углеродным войлоком и засыпкой кремния предварительно термообрабатывают в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение 5 часов.
Атмосфера аргона необходима для процесса парофазного силицирования. Процесс парофазного силицирования основан на испарении паров кремния и их осаждении на поверхности и в объеме пористого углеродного войлока, сопровождающимся образованием карбида кремния по реакции (1):
В вакууме происходит силицирование путем пропитки расплавом кремния, краевые углы смачивания составляют 120°, в то время как в атмосфере аргона силицирование войлока происходит парофазным методом, краевые углы смачивания составляют 50° соответственно.
Отличие от прототипа состоит в том, что на стадии силицирования используются готовые волокна углерода в виде войлока, процесс термообработки занимает значительно меньше времени, камеру вакуумной печи заполняли аргоном по достижении температуры 1000°С, выдержку при максимальной температуре проводили 20 минут.
Способ осуществляется следующим образом.
На рисунке 1 представлен графитовый тигель, в котором осуществляется синтез карбидкремниевого войлока. В графитовый тигель (1), выстланный внутри углеродной фольгой (2) для предотвращения взаимодействия тигля с жидким кремнием, вертикально устанавливали углеродный войлок в виде квадратных образцов (3). В тигель засыпали порошок кремния (4) так, чтобы он полностью покрывал образцы. Тигель помещали в сушильный шкаф и термообрабатывали в течение 5 часов при температуре 100°С. Затем тигель помещали в вакуумную печь. Получение войлока SiC проводили при следующих параметрах: в вакууме (1×10-5 мбар) до температуры 1100°С скорость нагревания составляла 5°С/мин, затем камеру вакуумной печи заполняют аргоном до избыточного давления давлении 1,2 атм и продолжают нагревание до 1650°С со скоростью 10°С/мин, выдержку при указанной температуре проводили в течение 20 минут. Полученные образцы войлока обрабатывают сжатым воздухом для удаления порошка засыпки с поверхности. На рисунке 2 представлена СЭМ полученного карбидкремниевого войлока.
На рис. 3 показана дифрактограмма полученного войлока карбида кремния. Полученный материал представляет собой смесь модификаций карбид кремния β-SiC и α-SiC в соотношении 42,6:57,4.
Войлок карбида кремния является перспективным для использования в виде армирующего компонента. Его привлекательность обусловлена сочетанием важных эксплуатационных характеристик: высокая температура плавления, химическая стойкость, высокая прочность и модуль упругости. Введение войлока карбида кремния армирует структуру материала, повышая показатель трещиностойкости и значение прочности на изгиб.
Настоящее изобретение относится к технологии получения войлока из карбида кремния.
Карбидкремниевый войлок получают следующим образом: В качестве исходных компонентов использовали промышленный порошок кремния с содержанием примесей не более 0.01% (ООО "Платина"), углеродный войлок Карбопон В-22 с содержанием углерода не менее 99.9%.
Графитовый тигель выстилали углеродной фольгой для предотвращения взаимодействия тигля с жидким кремнием, в тигель вертикально помещали углеродный войлок в виде квадратных образцов. В тигель засыпали порошок кремния так, чтобы он полностью покрывал образцы. Тигель помещали в сушильный шкаф и термообрабатывали в течение 5 часов при температуре 100°С. Затем тигель помещали в вакуумную печь. Получение войлока SiC проводили при следующих параметрах обжига: в вакууме (1×10-5 мбар) до температуры 1100°С скорость нагревания составляла 5°С/мин, затем камеру вакуумной печи заполняют аргоном до избыточного давления давлении 1,2 атм и продолжают нагревание до 1650°С со скоростью 10°С/мин, выдержку при указанной температуре проводили в течение 20 минут. Полученные образцы войлока обрабатывают сжатым воздухом для удаления порошка засыпки с поверхности.
Claims (1)
- Способ получения карбидкремниевого войлока, включающий размещение в вакуумной печи периодического действия углеродного текстильного материала, силицирование углеродного материала методом парофазного силицирования с применением температуры свыше 1300°С, отличающийся тем, что для силицирования углеродного войлока в качестве источника газа использовали пары кремния, в качестве силицируемого материала используют углеродный войлок в виде квадратных образцов, которые вертикально помещают в тигель, выстилаемый углеродной фольгой для предотвращения взаимодействия тигля с жидким кремнием, засыпают порошком кремния, предварительно термообрабатывают в сушильном шкафу в течение 5 часов при температуре 100°С, нагревают в вакуумной печи при вакууме 1×10-5 мбар до температуры 1100°С со скоростью нагревания 5°С/мин, затем камеру вакуумной печи заполняют аргоном до избыточного давления 1,2 атм и продолжают нагревание до 1650°С со скоростью 10°С/мин, с выдержкой при указанной температуре в течение 20 минут, после чего охлаждают, полученные образцы войлока обрабатывают сжатым воздухом для удаления порошка засыпки с поверхности.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021107781A RU2758311C9 (ru) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | Способ получения карбидкремниевого войлока |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021107781A RU2758311C9 (ru) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | Способ получения карбидкремниевого войлока |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2758311C1 true RU2758311C1 (ru) | 2021-10-28 |
RU2758311C9 RU2758311C9 (ru) | 2021-12-08 |
Family
ID=78466372
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021107781A RU2758311C9 (ru) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | Способ получения карбидкремниевого войлока |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2758311C9 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115057441A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-09-16 | 安徽微芯长江半导体材料有限公司 | 一种碳化硅高纯原料合成的方法 |
RU2784758C1 (ru) * | 2022-05-17 | 2022-11-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Способ получения высокодисперсного порошка карбида кремния |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8940391B2 (en) * | 2010-10-08 | 2015-01-27 | Advanced Ceramic Fibers, Llc | Silicon carbide fibers and articles including same |
RU2014114789A (ru) * | 2014-04-14 | 2015-10-20 | Открытое Акционерное Общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Способ изготовления изделия из композиционного материала |
RU2694340C1 (ru) * | 2018-04-27 | 2019-07-11 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии Коми Научного Центра Уральского Отделения Российской Академии Наук | Способ получения текстильных карбидокремниевых материалов |
DE102018100681A1 (de) * | 2018-01-12 | 2019-07-18 | Universität Paderborn | Verfahren zum Herstellen von Siliziumcarbid |
-
2021
- 2021-03-24 RU RU2021107781A patent/RU2758311C9/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8940391B2 (en) * | 2010-10-08 | 2015-01-27 | Advanced Ceramic Fibers, Llc | Silicon carbide fibers and articles including same |
RU2014114789A (ru) * | 2014-04-14 | 2015-10-20 | Открытое Акционерное Общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Способ изготовления изделия из композиционного материала |
DE102018100681A1 (de) * | 2018-01-12 | 2019-07-18 | Universität Paderborn | Verfahren zum Herstellen von Siliziumcarbid |
RU2694340C1 (ru) * | 2018-04-27 | 2019-07-11 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии Коми Научного Центра Уральского Отделения Российской Академии Наук | Способ получения текстильных карбидокремниевых материалов |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2784758C1 (ru) * | 2022-05-17 | 2022-11-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Способ получения высокодисперсного порошка карбида кремния |
CN115057441A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-09-16 | 安徽微芯长江半导体材料有限公司 | 一种碳化硅高纯原料合成的方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2758311C9 (ru) | 2021-12-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bunsell et al. | A review of the development of three generations of small diameter silicon carbide fibres | |
KR100264706B1 (ko) | 다결정성 탄화규소 섬유의 제조방법 | |
US9045347B2 (en) | Stiochiometric silicon carbide fibers from thermo-chemically cured polysilazanes | |
US4560589A (en) | Method for providing a coating layer of silicon carbide on substrate surface | |
US8987402B2 (en) | Stoichiometric silicon carbide fibers from thermo-chemically cured polysilazanes | |
Takeda et al. | Thermal stability of SiC fiber prepared by an irradiation-curing process | |
RU2758311C1 (ru) | Способ получения карбидкремниевого войлока | |
RU2694340C1 (ru) | Способ получения текстильных карбидокремниевых материалов | |
JP4514846B2 (ja) | 高純度炭素繊維強化炭素複合材料とその製造方法 | |
Wang et al. | Revealing the formation mechanism of the skin-core structure in nearly stoichiometric polycrystalline SiC fibers | |
JP5434922B2 (ja) | SiC繊維結合型セラミックスの製造方法 | |
Xie et al. | Synthesis and growth mechanism of SiC/SiO2 nanochains by catalyst-free thermal evaporation method in Ar/CO atmosphere | |
JP7318650B2 (ja) | 結晶性炭化ケイ素繊維、及びその製造方法、並びにセラミックス複合基材 | |
CN109402786A (zh) | 一种近化学计量比SiC纤维的制备方法 | |
JP6960448B2 (ja) | 炭化ケイ素系複合体の製造方法 | |
JP2000351689A (ja) | 熱分解炭素被覆炭素繊維強化炭素複合材料及び単結晶引き上げ装置用部品 | |
JP2006131451A (ja) | 単結晶引き上げ用ルツボとその製造方法 | |
Idesaki et al. | Fine silicon carbide fibers synthesized from polycarbosilane-polyvinylsilane polymer blend using electron beam curing | |
CN110106583B (zh) | 一种低硼含量SiC纤维的制备方法 | |
KR101684600B1 (ko) | 탄화규소 섬유의 제조방법 및 이에 의한 탄화규소 섬유 | |
CN1142332C (zh) | 一种制备碳化硅纤维或织物的方法 | |
JPH04245924A (ja) | 炭化珪素繊維及びその製造方法 | |
EP0048957B1 (en) | Continuous inorganic fibers and process for production thereof | |
JP2000103686A (ja) | 炭素繊維強化炭素複合材の製造方法 | |
KR101732573B1 (ko) | 섬유상 세라믹 발열체 및 그 제조방법 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL 31-2021 FOR INID CODE(S) (72) |
|
TH4A | Reissue of patent specification |