RU2791964C1 - Method for producing silicon carbide powder - Google Patents

Method for producing silicon carbide powder Download PDF

Info

Publication number
RU2791964C1
RU2791964C1 RU2022114163A RU2022114163A RU2791964C1 RU 2791964 C1 RU2791964 C1 RU 2791964C1 RU 2022114163 A RU2022114163 A RU 2022114163A RU 2022114163 A RU2022114163 A RU 2022114163A RU 2791964 C1 RU2791964 C1 RU 2791964C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon carbide
carbon
powder
sic
temperature
Prior art date
Application number
RU2022114163A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Дмитриевич Авров
Наталья Владимировна Андреева
Юрий Олегович Быков
Наталья Михайловна Латникова
Андрей Олегович Лебедев
Наталья Викторовна Шаренкова
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2791964C1 publication Critical patent/RU2791964C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: production of silicon carbide powder.
SUBSTANCE: production of silicon carbide powder used as a source for growing single crystals of silicon carbide. To obtain silicon carbide powder, silicon dioxide and carbon are mixed, the resulting mixture is placed in a vacuum furnace, the furnace is filled with an inert gas, and the mixture is subjected to heat treatment in an inert gas atmosphere, followed by annealing of excess carbon in air. The initial components are mixed in the ratio SiO2:C = 1:(3.2-4.0) (mol.). The thickness of the initial mixture layer is proportional to the square of the average grain diameter of the carbon powder and should not exceed 15-18 cm for an average grain diameter of 120 mcm at a bulk density of 0.6-0.8 g/cm3. Heat treatment in a vacuum furnace is carried out in two stages: first, for 4-5 hours at an inert gas pressure of 0.02-0.03 MPa and a temperature of 1600-1700°C, then reheat and hold at a temperature of 1900-2000°C for 1-2 hours at a pressure of 0.05-0.06 MPa.
EFFECT: invention makes it possible to increase the yield of alpha phase silicon carbide powder.
1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического карбида кремния (SiC) - широкозонного полупроводникового материала, используемого в силовой электронике и для создания на его основе интегральных микросхем.The invention relates to a technology for producing single-crystal silicon carbide (SiC) - a wide-gap semiconductor material used in power electronics and for creating integrated circuits based on it.

Слитки монокристаллического SiC обычно выращивают методом сублимации-конденсации (так называемый модифицированный метод Лели). В соответствии с этим методом в ростовом тигле размещают напротив друг друга - сверху пластину затравочного монокристалла SiC и снизу источник карбида кремния (порошок SiC) [Tairov Yu.M. Growth of bulk SiC // Materials Science and Engineering: B. 1995. Vol. 29. N1-3. P. 83-89]. Для воспроизводимого получения качественных слитков монокристаллического SiC используемый в методе сублимации - конденсации порошок SiC должен удовлетворять ряду требований, а именно: содержать в своем составе единственную фазу - иметь по возможности один и тот гранулометрический состав, достаточно высокую насыпную плотность и химическую чистоту.Ingots of single-crystal SiC are usually grown by the sublimation-condensation method (the so-called modified Lely method). In accordance with this method, a growth crucible is placed opposite each other - on top of the plate of the seed single crystal SiC and below the source of silicon carbide (SiC powder) [Tairov Yu.M. Growth of bulk SiC // Materials Science and Engineering: B. 1995. Vol. 29. N1-3. P. 83-89]. For reproducible production of high-quality single-crystal SiC ingots, the SiC powder used in the sublimation-condensation method must meet a number of requirements, namely: contain a single phase in its composition - have, if possible, the same particle size distribution, sufficiently high bulk density and chemical purity.

Способ получения порошка SiC должен быть эффективным, то есть наиболее полно использовать исходные кремний и углерод (в элементарном виде или в форме доступных химических соединений). Затраты на проведение способа должны быть минимизированы.The method for obtaining SiC powder should be efficient, that is, the most complete use of the original silicon and carbon (in elemental form or in the form of available chemical compounds). The cost of carrying out the method should be minimized.

Известен способ получения высокочистого порошка карбида кремния из кремния и углерода [CN 113120909 (A), Preparation method of high-purity semi-insulating silicon carbide powder, C01B 32/984, 2021]. По этому методу высокочистые порошки кремния и углерода смешивают в пропорции 1:1,1 и нагревают в печи при давлении высокочистого аргона или водорода 0-100 кПа до полного испарения кремния, получая порошок кубического карбида кремния (так называемая низкотемпературная фаза карбида кремния или бета-модификация или β - SiC). Далее полученный порошок бета-модификации карбида кремния нагревают до температуры 1800-2500°С для получения гексагональных политипов карбида кремния (так называемая альфа-модификация или α-SiC). Полученный порошок SiC подвергают отжигу на воздухе для удаления излишков углерода, дроблению образовавшихся спёков карбида кремния и грохочению. Недостатком способа является низкий выход продукта, вследствие того, что образование карбида кремния происходит за счет диффузии углерода в растекающийся жидкий кремний. Дополнительные потери вносят операции механической обработки (дробление, грохочение), приводящие, кроме того, к снижению чистоты и загрязнению продукта. Способ позволяет получить порошок карбида кремния, состоящий из смеси гексагональных политипов α-SiC.A known method for producing high-purity silicon carbide powder from silicon and carbon [CN 113120909 (A), Preparation method of high-purity semi-insulating silicon carbide powder, C01B 32/984, 2021]. According to this method, high-purity silicon and carbon powders are mixed in a ratio of 1:1.1 and heated in a furnace at a pressure of high-purity argon or hydrogen of 0-100 kPa until the silicon is completely evaporated, obtaining cubic silicon carbide powder (the so-called low-temperature phase of silicon carbide or beta- modification or β - SiC). Further, the obtained powder of the beta modification of silicon carbide is heated to a temperature of 1800-2500°C to obtain hexagonal polytypes of silicon carbide (the so-called alpha modification or α-SiC). The resulting SiC powder is subjected to annealing in air to remove excess carbon, crushing of the formed silicon carbide cakes, and screening. The disadvantage of this method is the low yield of the product, due to the fact that the formation of silicon carbide occurs due to the diffusion of carbon into the spreading liquid silicon. Additional losses are introduced by mechanical processing operations (crushing, screening), which, in addition, lead to a decrease in the purity and contamination of the product. The method makes it possible to obtain silicon carbide powder consisting of a mixture of α-SiC hexagonal polytypes.

Мелкодисперсный порошок SiC может быть приготовлен путем сбора дисперсной фазы смешанного аэрозоля, содержащего разлагаемое соединение кремния (например, SiCl4, CH3SiCl3 и т.д.) и соединение углерода (например, нефть, Н-гексан), в горячем газе [JPS5983922 (A), Preparation of silicon carbide powder, C01B31/36, (IPC1-7): C01B31/36, 1984]. После сбора конденсата и его термообработки получается порошок SiC с насыпной плотностью 0,15 г/см3 или более. Способ не позволяет обеспечить высокий выход продукта вследствие больших потерь при сборе дисперсной фазы.SiC fine powder can be prepared by collecting the dispersed phase of a mixed aerosol containing a decomposable silicon compound (eg, SiCl 4 , CH 3 SiCl 3 , etc.) and a carbon compound (eg, oil, N-hexane) in a hot gas [ JPS5983922 (A), Preparation of silicon carbide powder, C01B31/36, (IPC1-7): C01B31/36, 1984]. After collecting the condensate and heat treating it, a SiC powder with a bulk density of 0.15 g/cm 3 or more is obtained. The method does not provide a high yield of the product due to large losses in the collection of the dispersed phase.

Для синтеза порошка SiC наиболее распространен в промышленности метод карботермического восстановления диоксида кремния SiO2 углеродом С. Суммарная химическая реакция, протекающая при процессе карботермического восстановления, может быть записана следующим образом:For the synthesis of SiC powder, the most common method in industry is the carbothermal reduction of silicon dioxide SiO 2 with carbon C. The total chemical reaction that occurs during the carbothermal reduction process can be written as follows:

Figure 00000001
Figure 00000001

а механизм протекания процесса обусловлен восстановлением диоксида кремния SiO2 до газообразного монооксида SiO с последующей диффузией монооксида SiO вглубь зерен углерода, для окончательной реакции с образованием карбида кремния [B. Abolpour, R. Shamsoddini Mechanism of reaction of silica and carbon for producing silicon carbide, Progress in Reaction Kinetics and Mechanism. 2019. Vol. 45. P. 1-14.].and the process flow mechanism is due to the reduction of silicon dioxide SiO 2 to gaseous SiO monoxide, followed by diffusion of SiO monoxide deep into the carbon grains, for the final reaction with the formation of silicon carbide [B. Abolpour, R. Shamsoddini Mechanism of reaction of silica and carbon for producing silicon carbide, Progress in Reaction Kinetics and Mechanism. 2019 Vol. 45. P. 1-14.].

Известен способ получения порошка SiC путем взаимодействия диоксида кремния SiO2 и углерода в печи при температуре 2200-2300°С [Кайнарский И.С., Дегтярева Э.В. Карборундовые огнеупоры, Харьков: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1963, 252 с.], с последующим измельчением полученных спёков карбида кремния и грохочением порошка SiC. Монооксид кремния SiO при такой высокой температуре и при таком интенсивном выделении CO не успевает полностью прореагировать с углеродом и уносится из пространства печи. Выход продукта по кремнию оказывается невелик. Кроме того, высокие температуры приводят к тому, что порошок оказывается неоднородным по фазовому и политипному составу, то есть представляет собой смесь углерода, кремния и различных политипов карбида кремния.A known method of obtaining SiC powder by reacting silicon dioxide SiO 2 and carbon in a furnace at a temperature of 2200-2300°C [Kaynarsky I.S., Degtyareva E.V. Carborundum refractories, Kharkov: State scientific and technical publishing house of literature on ferrous and non-ferrous metallurgy, 1963, 252 pp.], followed by grinding the resulting silicon carbide cakes and screening the SiC powder. Silicon monoxide SiO at such a high temperature and with such an intense release of CO does not have time to completely react with carbon and is carried away from the furnace space. The silicon yield of the product is low. In addition, high temperatures lead to the fact that the powder is inhomogeneous in phase and polytype composition, that is, it is a mixture of carbon, silicon, and various silicon carbide polytypes.

Чтобы синтезировать порошок SiC, предложено смесь исходных порошков диоксида кремния SiO2 и углерода С нагревать под давлением аргона 1-200 МПа до температуры синтеза порошка SiC, то есть 1400-1800°С, с последующим отжигом избыточного углерода на воздухе и измельчением кусков карбида кремния [KR 20120052787 (A), Silicon carbide and method for manufacturing the same, C01B 31/36, C04B 35/565, 2012]. Недостатком способа является низкий выход процесса, вследствие избыточного давления инертного газа, препятствующего химической реакции взаимодействия диоксида кремния SiO2 и углерода.To synthesize SiC powder, it is proposed to heat a mixture of initial powders of silicon dioxide SiO 2 and carbon C under an argon pressure of 1-200 MPa to a temperature of SiC powder synthesis, that is, 1400-1800 ° C, followed by annealing excess carbon in air and grinding pieces of silicon carbide [KR 20120052787 (A), Silicon carbide and method for manufacturing the same, C01B 31/36, C04B 35/565, 2012]. The disadvantage of this method is the low yield of the process, due to the excess pressure of the inert gas, which prevents the chemical reaction of the interaction of silicon dioxide SiO 2 and carbon.

Известен способ получения порошка SiC путем высокотемпературного нагрева кремний- и углеродсодержащего сырья в атмосфере азота при давлении 0,049-0,13 МПа или в токе азота со скоростью 0,5-3,3 л/час до температуры 1600-1900°С [Патент РФ 2240979, Способ получения карбида кремния, С01В 31/36, 2004]. Применение давлений ниже атмосферного приводит к потерям монооксида кремния SiO вследствие его выноса из пространства печи. Выделяющийся по реакции (1) монооксид углерода захватывает частицы углерода, которые также уносятся из пространства печи. Всё вышесказанное приводит к снижению эффективности процесса синтеза и выхода процесса. Кроме того, меняется соотношение кремний/углерод в исходной смеси, происходят изменения в политипном и фазовом составе синтезируемого порошка SiC.A known method for producing SiC powder by high-temperature heating of silicon and carbon-containing raw materials in a nitrogen atmosphere at a pressure of 0.049-0.13 MPa or in a stream of nitrogen at a rate of 0.5-3.3 l/h to a temperature of 1600-1900°C [RF Patent 2240979, Method for producing silicon carbide, SW 31/36, 2004]. The use of subatmospheric pressures leads to losses of silicon monoxide SiO due to its removal from the furnace space. Carbon monoxide liberated by reaction (1) captures carbon particles, which are also carried away from the furnace space. All of the above leads to a decrease in the efficiency of the synthesis process and the yield of the process. In addition, the silicon/carbon ratio in the initial mixture changes, and changes occur in the polytype and phase composition of the synthesized SiC powder.

Для получения высокочистого порошка SiC (альфа-модификация карбида кремния) с большим размером кристаллитов предложено получать и использовать гель, в котором углеродсодержащее соединение (сахароза, фруктоза, мальтоза и т.д.) диспергировано в сетчатой структуре диоксида кремния [US 2021163301 (A1), Method for producing large granular alpha-phase silicon carbide powders with a high purity, C01B 32/97, C01B 32/977, 2021]. Гель подвергают термообработке для разложения углеродсодержащего соединения и получения композита диоксид кремния/углерод при температуре 1100-1250°С. При повторной термообработке при более высокой температуре (2000-2100°С) порошок укрупняется вследствие роста кристаллитов. В результате укрупнения кристаллитов за счет процессов нестехиометричной сублимации и конденсации карбида кремния происходит неконтролируемое изменение политипного и фазового состава порошка (появление атомарного углерода, различных гексагональных политипов карбида кремния). Процесс очень дорог и сложен, он не дает возможность получить высокий выход продукта вследствие неконтролируемого поведения композита при высоких температурах.To obtain high-purity SiC powder (alpha modification of silicon carbide) with a large crystallite size, it was proposed to obtain and use a gel in which a carbon-containing compound (sucrose, fructose, maltose, etc.) is dispersed in a network structure of silicon dioxide [US 2021163301 (A1) , Method for producing large granular alpha-phase silicon carbide powders with a high purity, C01B 32/97, C01B 32/977, 2021]. The gel is subjected to heat treatment to decompose the carbon-containing compound and obtain a silicon dioxide/carbon composite at a temperature of 1100-1250°C. During repeated heat treatment at a higher temperature (2000-2100°C), the powder coarsens due to the growth of crystallites. As a result of coarsening of crystallites due to the processes of nonstoichiometric sublimation and condensation of silicon carbide, an uncontrolled change in the polytype and phase composition of the powder occurs (the appearance of atomic carbon, various hexagonal polytypes of silicon carbide). The process is very expensive and complicated, it does not allow to obtain a high yield of the product due to the uncontrolled behavior of the composite at high temperatures.

Также известен способ, включающий смешивание источника кремния (тетраэтоксисилан, оксисилановый полимер или диоксид кремния SiO2 высокой чистоты) с источником углерода (органическое соединение высокой чистоты, имеющее кислород в своей молекуле и дающее остаточный углерод после нагревания), стадию образования карбида кремния путем прокаливания в неокисляющей среде и стадию последующей обработки порошка SiC нагревом до 2000-2100°С для увеличения среднего диаметра зерен порошка SiC, на 5-20 минут по меньшей мере один раз [GB2301349 (A), Process for producing high purity silicon carbide powder for preparation of a silicon carbide single crystal, C01B 31/36, C30B 23/00, (IPC1-7): C01B31/36, C30B29/36, 1996]. Для улучшения чистоты синтезируемого порошка SiC через пространство печи пропускают неокисляющий газ, разбавленный галогенидом водорода (1-3 % об.). Способ позволяет синтезировать порошок SiC высокой чистоты с размером зерен от 10 до 500 мкм. Способ обладает низкой эффективностью вследствие больших потерь монооксида кремния SiO, выносимых из пространства печи совместно с оксидом углерода CO. Вынос монооксида кремния SiO из реакционного пространства приводит к нарушению соотношения кремний/углерод и - следовательно - к нарушению фазовой и политипной однородности порошка SiC. Выход процесса уменьшается.A method is also known, including mixing a silicon source (tetraethoxysilane, oxysilane polymer or high purity silicon dioxide SiO 2 ) with a carbon source (high purity organic compound having oxygen in its molecule and giving residual carbon after heating), the stage of forming silicon carbide by calcining in non-oxidizing environment and the stage of subsequent processing of the SiC powder by heating to 2000-2100°C to increase the average grain diameter of the SiC powder, for 5-20 minutes at least once [GB2301349 (A), Process for producing high purity silicon carbide powder for preparation of a silicon carbide single crystal, C01B 31/36, C30B 23/00, (IPC1-7): C01B31/36, C30B29/36, 1996]. To improve the purity of the synthesized SiC powder, a non-oxidizing gas diluted with hydrogen halide (1-3% vol.) is passed through the furnace space. The method makes it possible to synthesize high-purity SiC powder with a grain size of 10 to 500 µm. The method has low efficiency due to large losses of silicon monoxide SiO, carried out of the furnace space together with carbon monoxide CO. The removal of silicon monoxide SiO from the reaction space leads to a violation of the silicon/carbon ratio and, consequently, to a violation of the phase and polytype homogeneity of the SiC powder. The output of the process is reduced.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения карбида кремния, включающий: (а) смешение источника кремния (коллоидный диоксид кремния, силикагель, золь диоксида кремния и т.д.) и углерода (углеродная сажа, фуллерен и т.д.) в соотношении от 1:1 до 4:1 (масс.) в смесителе и (б) нагрев в герметичном тигле при давлении 0,03-0,5 Торр до температуры 1300-1900°С для синтеза порошка SiC [KR 20110021530 (A), High purity silicon carbide manufacturing method and system, C01B 31/36; C04B 35/565, 2011]. При использовании органического источника углерода между стадиями (а) и (б) производится предварительный нагрев смеси до температуры от 700 до 1200°С для карбонизации источника углерода. Процесс осуществляли в тигле в газовой атмосфере инертного газа (аргона).Closest to the claimed is a method for producing silicon carbide, including: (a) mixing a source of silicon (colloidal silicon dioxide, silica gel, silicon dioxide Sol, etc.) and carbon (carbon black, fullerene, etc.) in a ratio of 1:1 to 4:1 (mass.) in the mixer and (b) heating in a sealed crucible at a pressure of 0.03-0.5 Torr to a temperature of 1300-1900°C for the synthesis of SiC powder [KR 20110021530 (A), High purity silicon carbide manufacturing method and system, C01B 31/36; C04B 35/565, 2011]. When using an organic carbon source between stages (a) and (b) is preheating the mixture to a temperature of from 700 to 1200°C for carbonization of the carbon source. The process was carried out in a crucible in a gaseous atmosphere of an inert gas (argon).

Использование вакуума приводит к потерям монооксида кремния SiO, который возгоняется совместно с оксидом углерода CO, и вследствие этого к снижению эффективности процесса получения порошка SiC. Соотношение кремний/углерод нарушается, что также приводит к изменению фазового и политипного состава. Использование коллоидных порошков в исходной смеси, в комбинации с постоянной откачкой герметичного тигля, будет всегда приводить к потерям материала вследствие легкости захвата мелких частиц углерода потоком выделяющегося в результате реакции карботермического восстановления газа - монооксида углерода CO, что также приведет к снижению выхода процесса.The use of vacuum leads to the loss of silicon monoxide SiO, which is sublimated together with carbon monoxide CO, and consequently to a decrease in the efficiency of the process of obtaining SiC powder. The silicon/carbon ratio is violated, which also leads to a change in the phase and polytype composition. The use of colloidal powders in the initial mixture, in combination with the constant pumping out of a sealed crucible, will always lead to material losses due to the ease of capture of small particles of carbon by the flow of gas released as a result of the reaction of carbothermal reduction - carbon monoxide CO, which will also lead to a decrease in the yield of the process.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа получения порошка альфа-модификации карбида кремния с высоким выходом процесса по основным исходным реагентам (диоксид кремния и углерод).The objective of the claimed invention is to create a method for obtaining a powder of alpha modification of silicon carbide with a high yield of the process in terms of the main initial reagents (silicon dioxide and carbon).

Технический результат изобретения заключается в увеличении выхода порошка SiC.The technical result of the invention is to increase the yield of SiC powder.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что смешивают диоксид кремния и углерода, полученную смесь размещают в вакуумной печи, заполняют печь инертным газом и подвергают смесь термообработке в атмосфере инертного газа, с последующим отжигом избыточного углерода на воздухе, отличающийся тем, что исходные компоненты смешивают в соотношении SiO2:C = 1:(3,2-4,0) (мол.), а толщина слоя исходной смеси пропорциональна квадрату среднего диаметра зерна порошка углерода и не должна превышать 15-18 см для среднего диаметра зерна 120 мкм, при насыпной плотности 0,6-0,8 г/см3. Термообработку осуществляют в две стадии, в вакуумной печи, заполненной инертным газом: вначале в течение 4-5 часов при давлении инертного газа 0,02-0,03 МПа и температуре 1600-1700°С, затем осуществляют повторный нагрев и выдержку при температуре 1900-2000°С в течение 2-3 часов при давлении 0,05-0,06 МПа.The essence of the proposed method lies in the fact that silicon dioxide and carbon are mixed, the resulting mixture is placed in a vacuum furnace, the furnace is filled with an inert gas and the mixture is subjected to heat treatment in an inert gas atmosphere, followed by annealing excess carbon in air, characterized in that the initial components are mixed in the ratio of SiO 2 :C = 1:(3.2-4.0) (mol.), and the thickness of the layer of the initial mixture is proportional to the square of the average grain diameter of the carbon powder and should not exceed 15-18 cm for an average grain diameter of 120 μm, at bulk density 0.6-0.8 g/cm 3 . Heat treatment is carried out in two stages, in a vacuum furnace filled with an inert gas: first, for 4-5 hours at an inert gas pressure of 0.02-0.03 MPa and a temperature of 1600-1700 ° C, then re-heating and holding at a temperature of 1900 -2000°C for 2-3 hours at a pressure of 0.05-0.06 MPa.

Предлагаемый способ обладает отличиями, позволяющими достичь технического результата, заключающегося в увеличении выхода порошка карбида кремния альфа-модификации, а именно:The proposed method has differences that make it possible to achieve a technical result, which consists in increasing the yield of alpha silicon carbide powder, namely:

Как известно, процесс карботермического восстановления приводит к выделению больших объемов монооксида углерода CO по реакции (1), которые, проходя через толщу реакционной смеси диоксида кремния SiO2, углерода C и синтезированного карбида кремния SiC, захватывают мелкие частицы углерода или диоксида кремния и выносят их из пространства печи (так называемая сила Стокса или сила трения или сила лобового сопротивления). Ограничение толщины слоя исходной реакционной смеси, используемой при заданных давлении и температуре в процессе синтеза, позволяет ограничить величину силы Стокса и предотвратить вынос мелких частиц порошков реакционной смеси из пространства печи, что приводит к увеличению выхода процесса получения порошка SiC по кремнию Si и углероду C. Необходимым условием осуществления высокоэффективного процесса синтеза порошка SiC является минимизация захвата частиц порошка реакционной смеси потоком CO и их выноса из реакционной ячейки, поскольку это приводит к снижению выхода продукта. Эффект захвата обычно наиболее выражен для частиц углерода - как наиболее легких из состава реакционной смеси. На частицу углерода С, диоксида кремния SiO2 или карбида кремния SiC у поверхности порошка действуют сила тяжести и сила лобового сопротивления (сила Стокса), вследствие наличия восходящего потока монооксида углерода CO. Чем больше толщина слоя H реакционной смеси, тем больший объем монооксида углерода CO выходит через единицу площади поверхности и тем выше сила Стокса, действующая на частицы реакционной смеси на поверхности. При некоторой величине скорости потока, численно равной скорости седиментации, известной в физике [Ходаков Г.С., Юдкин Ю.П. Седиментационный анализ высокодисперсных систем М.: Химия, 1981. 192 с.], частица может быть захвачена восходящим потоком монооксида углерода CO. Авторами заявляемого способа установлено, что для порошка углерода со средним диаметром зерна 120 мкм (так называемая медиана порошка) эффект захвата частиц в поток еще не наблюдается, если толщина слоя реакционной смеси не превышает 15 - 18 см, при стандартной насыпной плотности исходной смеси 0,6 - 0,8 г/см3. Для скорости седиментации известно:As is known, the process of carbothermal reduction leads to the release of large volumes of carbon monoxide CO according to reaction (1), which, passing through the thickness of the reaction mixture of silicon dioxide SiO 2 , carbon C and synthesized silicon carbide SiC, capture small particles of carbon or silicon dioxide and carry them out from the furnace space (the so-called Stokes force or friction force or drag force). Limiting the thickness of the initial reaction mixture layer used at a given pressure and temperature in the synthesis process makes it possible to limit the value of the Stokes force and prevent the removal of fine particles of the reaction mixture powders from the furnace space, which leads to an increase in the yield of the SiC powder production process for silicon Si and carbon C. A necessary condition for the implementation of a highly efficient process for the synthesis of SiC powder is to minimize the capture of powder particles of the reaction mixture by the CO flow and their removal from the reaction cell, since this leads to a decrease in the product yield. The trapping effect is usually most pronounced for carbon particles - as the lightest of the composition of the reaction mixture. A particle of carbon C, silicon dioxide SiO 2 or silicon carbide SiC at the surface of the powder is affected by gravity and drag force (Stokes force), due to the presence of an upward flow of carbon monoxide CO. The thicker the layer H of the reaction mixture, the greater the volume of carbon monoxide CO exits per unit area of the surface and the higher the Stokes force acting on the particles of the reaction mixture on the surface. At a certain value of the flow rate, numerically equal to the sedimentation rate, known in physics [Khodakov G.S., Yudkin Yu.P. Sedimentation analysis of highly dispersed systems M.: Chemistry, 1981. 192 p.], a particle can be captured by an ascending flow of carbon monoxide CO. The authors of the proposed method found that for a carbon powder with an average grain diameter of 120 μm (the so-called median of the powder), the effect of particle capture into the flow is not yet observed if the layer thickness of the reaction mixture does not exceed 15–18 cm, with a standard bulk density of the initial mixture of 0, 6 - 0.8 g/cm 3 . For the rate of sedimentation it is known:

Figure 00000002
Figure 00000002

где R - радиус круглой частицы, g - ускорение силы тяжести, ρ - плотность частицы, захваченной потоком газа, η - динамическая вязкость газа. where R is the radius of a round particle, g is the acceleration of gravity, ρ is the density of the particle captured by the gas flow, η is the dynamic viscosity of the gas.

Точный расчет предельной скорости VS невозможен вследствие наличия осложняющих факторов (неизвестные параметры смеси газов - монооксида углерода и аргона, разброс частиц углерода по величине и форме), но можно грубо оценить максимальное значение толщины слоя H исходной смеси для порошка любой зернистости, при котором эффект захвата частицы потоком еще не наблюдается, из пропорции, используя найденную величину для порошка углерода с медианой 120 мкм, представленную выше:An accurate calculation of the limiting velocity V S is impossible due to the presence of complicating factors (unknown parameters of the mixture of gases - carbon monoxide and argon, the spread of carbon particles in size and shape), but it is possible to roughly estimate the maximum value of the layer thickness H of the initial mixture for a powder of any grain size, at which the effect particle entrainment by the flow has not yet been observed, from the proportion, using the found value for carbon powder with a median of 120 µm, presented above:

Figure 00000003
Figure 00000003

где H1 - максимальная толщина слоя порошка из частиц размером R1, имеющих плотность ρ1, H2 - то же, для частиц размером R2 с плотностью ρ2.where H 1 is the maximum thickness of the powder layer of particles of size R 1 with density ρ 1 , H 2 is the same for particles of size R 2 with density ρ 2 .

Порошки диоксида кремния SiO2 и углерода C смешивают в соотношении, практически соответствующем стехиометрии реакции (1), то есть MSiO2:MC = 1:(3,2-4,0) (мол.). Небольшой избыток углерода С позволяет минимизировать количество непрореагировавших частиц монооксида кремния SiO, покидающих реакционную смесь в процессе карботермического восстановления, а также исключить процессы агломерации образующихся зерен порошка SiC. Увеличение соотношения компонентов в реакционной смеси выше значения 4,0 нежелательно, так как приведет к уменьшению эффективности процесса по углероду.Powders of silicon dioxide SiO 2 and carbon C are mixed in a ratio that practically corresponds to the stoichiometry of reaction (1), that is, M SiO 2 : M C = 1: (3.2-4.0) (mol.). A slight excess of carbon C makes it possible to minimize the amount of unreacted particles of silicon monoxide SiO leaving the reaction mixture in the process of carbothermal reduction, as well as to exclude the processes of agglomeration of the resulting SiC powder grains. An increase in the ratio of components in the reaction mixture above 4.0 is undesirable, as it will lead to a decrease in the efficiency of the process in terms of carbon.

Первая стадия термообработки (синтез бета-модификации SiC) проводится при достаточно высоком давлении инертного газа, что препятствует потере монооксида кремния SiO вследствие его ухода совместно с монооксидом углерода CO из пространства печи.The first stage of heat treatment (synthesis of the beta modification of SiC) is carried out at a sufficiently high pressure of an inert gas, which prevents the loss of silicon monoxide SiO due to its leaving together with carbon monoxide CO from the furnace space.

Вторая стадия термообработки (конверсия бета-модификации в альфа-модификацию) проводится при достаточно высоком давлении, препятствующем диссоциативной сублимации порошка SiC. Как известно, при сублимации твердая фаза - порошок SiC - обогащается углеродом, а газовая фаза - парами кремния Si, которые легко покидают реакционную ячейку, в результате чего выход процесса получения порошка SiC снижается. В предлагаемом способе пары кремния практически не образуются, и выход процесса получения порошка SiC растет.The second stage of heat treatment (conversion of the beta modification to the alpha modification) is carried out at a sufficiently high pressure to prevent dissociative sublimation of the SiC powder. As is known, during sublimation, the solid phase - SiC powder - is enriched in carbon, and the gas phase is enriched in silicon Si vapor, which easily leaves the reaction cell, as a result of which the yield of the SiC powder production process decreases. In the proposed method, silicon vapor is practically not formed, and the yield of the SiC powder production process increases.

Дополнительно достигается увеличение срока эксплуатации печи за счет отсутствия в газовой фазе агрессивных паров кремния или газообразных производных карбида кремния, которые активно взаимодействуют с графитовой арматурой реакционной ячейки, что приводит к необходимости преждевременной замены дорогостоящих частей графитовой арматуры.Additionally, an increase in the service life of the furnace is achieved due to the absence of aggressive silicon vapors or gaseous derivatives of silicon carbide in the gas phase, which actively interact with the graphite fittings of the reaction cell, which leads to the need for premature replacement of expensive parts of the graphite fittings.

Таким образом, оптимальный выбор значений технологических параметров процесса синтеза порошка SiC (соотношение компонентов в исходной смеси, толщина слоя исходной смеси диоксида кремния SiO2 и углерода С в реакционной ячейке, температура и давление в пространстве печи, длительность стадий термообработки) дает возможность реализовать высокоэффективный процесс синтеза порошка карбида кремния. Кроме того, отсутствие газообразного кремния в процессе высокотемпературной термообработки позволяет увеличить срок службы дорогостоящей графитовой арматуры, то есть снизить затраты на проведение способа.Thus, the optimal choice of the values of technological parameters of the SiC powder synthesis process (the ratio of components in the initial mixture, the layer thickness of the initial mixture of silicon dioxide SiO 2 and carbon C in the reaction cell, the temperature and pressure in the furnace space, the duration of the heat treatment stages) makes it possible to implement a highly efficient process synthesis of silicon carbide powder. In addition, the absence of gaseous silicon in the process of high-temperature heat treatment makes it possible to increase the service life of expensive graphite fittings, that is, to reduce the cost of the method.

Способ иллюстрируют чертежи.The method is illustrated in the drawings.

Фиг. 1 - схема вакуумной печи для осуществления предлагаемого способа;Fig. 1 is a diagram of a vacuum furnace for implementing the proposed method;

Фиг. 2 - схема захвата твердой частицы реакционной смеси потоком монооксида углерода CO: Fg - сила тяжести, Fc - сила Стокса;Fig. 2 - diagram of the capture of a solid particle of the reaction mixture by a flow of carbon monoxide CO: Fg - gravity, Fc - Stokes force;

Фиг. 3 - данные рентгеновского фазового анализа реакционной смеси после выдержки в течение 4 часов при давлении аргона 0,02 МПа: (а) T = 1300°C; (б) Т = 1600°С; (в) T = 1700°С. Рефлексы от бета-модификации карбида кремния обозначены буквой “К”;Fig. 3 - data of X-ray phase analysis of the reaction mixture after exposure for 4 hours at an argon pressure of 0.02 MPa: (a) T = 1300°C; (b) Т = 1600°С; (c) T = 1700°С. Reflections from the beta modification of silicon carbide are indicated by the letter “K”;

Фиг. 4 - содержание бета-модификации карбида кремния (β-SiC) в реакционной смеси после выдержки в течение 4х часов при различной температуре в атмосфере аргона, p = 0,02 МПа;Fig. 4 - the content of the beta modification of silicon carbide (β-SiC) in the reaction mixture after exposure for 4 hours at different temperatures in an argon atmosphere, p = 0.02 MPa;

Фиг. 5 - данные рентгеновского фазового анализа реакционной смеси после второй стадии термообработки в течение 2х часов: (а) T = 2000°C, p = 0,02 МПа, основные фазы - альфа-модификация карбида кремния и углерод (2H-C); (б) Т = 2000°С, p = 150 Па, основные фазы - смесь политипов альфа-модификации карбида кремния (6H-SiC, 15R-SiC, 4H-SiC) и углерод (3R-C).Fig. 5 - data of X-ray phase analysis of the reaction mixture after the second stage of heat treatment for 2 hours: (a) T = 2000°C, p = 0.02 MPa, the main phases are the alpha modification of silicon carbide and carbon (2H-C); (b) T = 2000°C, p = 150 Pa, the main phases are a mixture of silicon carbide alpha modification polytypes (6H-SiC, 15R-SiC, 4H-SiC) and carbon (3R-C).

В качестве технического средства для осуществления предлагаемого способа получения порошка SiC используют цилиндрическую вакуумную печь 1 (Фиг. 1), к которой подключены вакуумная система и система газонапуска - контроля и поддержания давления. В качестве атмосферы при проведении синтеза порошка используют высокочистый аргон чистотой не хуже 6N или любой другой инертный или неокисляющий газ. Внутри вакуумной печи 1 располагается теплоизоляционный экран 2 и цилиндрический резистивный или индукционный нагреватель 3. В полости нагревателя 3 установлена реакционная ячейка 4, снабженная газопроницаемой крышкой 5, закрепленной на краях реакционной ячейки и выполненной из однородного высокопористого материала, например, высокочистого графитового войлока. Исходная смесь реагентов 6- диоксида кремния SiO2 и углерода C - размещается внутри реакционной ячейки 4, на дне, в виде смеси порошков диоксида кремния и углерода - слой толщиной H. Реакционная ячейка 4 выполнена из плотного конструкционного графита. В процессе синтеза порошка SiC удаление больших объемов образующегося монооксида углерода CO из реакционной ячейки 4 и далее из пространства печи осуществляется через поры высокопористой крышки 5 реакционной ячейки.As a technical means for implementing the proposed method for producing SiC powder, a cylindrical vacuum furnace 1 (Fig. 1) is used, to which a vacuum system and a gas purge system are connected - control and pressure maintenance. High-purity argon with a purity of at least 6N or any other inert or non-oxidizing gas is used as the atmosphere during powder synthesis. Inside the vacuum furnace 1 there is a heat-insulating screen 2 and a cylindrical resistive or induction heater 3. A reaction cell 4 is installed in the cavity of the heater 3, equipped with a gas-permeable cover 5 fixed on the edges of the reaction cell and made of a homogeneous highly porous material, for example, high-purity graphite felt. The initial mixture of reagents 6 - silicon dioxide SiO 2 and carbon C - is placed inside the reaction cell 4, at the bottom, in the form of a mixture of powders of silicon dioxide and carbon - a layer of thickness H. The reaction cell 4 is made of dense structural graphite. In the process of SiC powder synthesis, the removal of large volumes of carbon monoxide CO formed from the reaction cell 4 and further from the furnace space is carried out through the pores of the highly porous cover 5 of the reaction cell.

При проведении способа смешивание реагентов и создание исходной смеси осуществляют в чистом смесителе вне реакционной ячейки, до образования однородной смеси. В качестве исходных реагентов наиболее часто используют: порошок диоксида кремния квалификации ОСЧ 12-4 ТУ 6-09-3379-79 и графит порошковый ОСЧ 8-4 ГОСТ 23463-79 с изм. 1, 2.When carrying out the method, the mixing of the reagents and the creation of the initial mixture is carried out in a clean mixer outside the reaction cell, until a homogeneous mixture is formed. As initial reagents, the following are most often used: silicon dioxide powder of OSCh 12-4 qualification TU 6-09-3379-79 and graphite powder OSCh 8-4 GOST 23463-79 with amend. 12.

Порошки диоксида кремния SiO2 и углерода С смешивают в соотношении MSiO2:MC = 1:(3,2-4,0) (мол.).Powders of silicon dioxide SiO 2 and carbon C are mixed in the ratio M SiO 2 : M C = 1: (3.2-4.0) (mol.).

Приготовленную исходную смесь размещают в реакционной ячейке, а ту, в свою очередь, - в пространстве вакуумной печи.The prepared initial mixture is placed in the reaction cell, and that, in turn, in the space of the vacuum furnace.

Реакционная ячейка 4, используемая для осуществления способа, не может быть герметичной, так как в процессе карботермического восстановления диоксида кремния SiO2 выделяется большое количество монооксида углерода CO, которое должно быть удалено через верхнюю крышку 5, а именно, через поры высокопористого графитового войлока (Фиг. 1).The reaction cell 4 used for the implementation of the method cannot be airtight, since in the process of carbothermal reduction of silicon dioxide SiO 2 a large amount of carbon monoxide CO is released, which must be removed through the top cover 5, namely, through the pores of highly porous graphite felt (Fig. . 1).

Формула (3) дает значения толщины слоя реакционной смеси, для которого эффект захвата твердых частиц порошка потоком монооксида углерода CO не наблюдается или несущественен (Фиг. 2). Для размеров частиц менее 12 мкм максимальные значения толщин слоя реакционной смеси, полученные по формуле (3), будут составлять величину порядка 0,15-0,18 см и ниже. Такие малые значения H будут приводить к снижению производительности способа, вследствие ограничения величины разовой загрузки исходной смеси по массе. При использовании для этих размеров частиц толщин больших, чем определенные по формуле (3), эффективность способа снижается, вследствие частичного ухода порошка углерода из реакционной смеси из-за захвата потоком монооксида углерода CO. Вынос частиц углерода из пространства печи в этом случае ограничивается только за счет использования пористой верхней крышки 5 реакционной ячейки 4.Formula (3) gives the values of the thickness of the layer of the reaction mixture, for which the effect of the capture of solid particles of the powder by the flow of carbon monoxide CO is not observed or is insignificant (Fig. 2). For particle sizes less than 12 μm, the maximum thicknesses of the reaction mixture layer obtained by formula (3) will be on the order of 0.15-0.18 cm and below. Such small values of H will lead to a decrease in the productivity of the method, due to the limitation of the size of a single load of the initial mixture by weight. When using for these particle sizes thicknesses greater than those determined by formula (3), the efficiency of the method decreases due to the partial departure of carbon powder from the reaction mixture due to the capture of carbon monoxide CO by the flow. The removal of carbon particles from the furnace space in this case is limited only by using the porous top cover 5 of the reaction cell 4.

Важным является вопрос о выборе технологических параметров для проведения первой стадии термообработки (карботермического восстановления диоксида кремния SiO2 углеродом до бета-модификации карбида кремния). Компоненты для приготовления исходной смеси представляют собой порошок молотого кварцевого стекла или поликристаллического кварца SiO2 и кристаллический порошок углерода С. В процессе химического взаимодействия в широком диапазоне технологических параметров основными фазами в реакционной смеси являются кристобалит SiO2 и низкотемпературная бета-модификация карбида кремния (β - SiC), причем с увеличением температуры и длительности процесса карботермического восстановления процентное количество бета-модификации карбида кремния в порошке непрерывно возрастает, а кристобалита падает (Фиг. 3). На Фиг. 4 представлено процентное содержание бета-модификации карбида кремния в порошке, полученном при различных температурах, при 4х-часовой выдержке при давлении аргона 0,02 МПа. При температуре 1700°С, которая выбрана для проведения карботермического восстановления диоксида кремния SiO2 в рамках осуществления способа, происходит практически полное преобразование порошка в низкотемпературную бета-модификацию карбида кремния. Дальнейшее увеличение температуры может привести к образованию смеси гексагональных политипов карбида кремния и представляется нежелательным. Некоторое снижение температуры карботермического восстановления или повышение давления инертного газа возможно, хоть и приведет к незначительному снижению содержания бета-модификации карбида кремния β - SiC в пользу кристобалита в реакционной смеси. Соответственно, выдержка может быть увеличена до 5 часов для осуществления полной реакции при 1600°С.An important issue is the choice of technological parameters for the first stage of heat treatment (carbothermal reduction of silicon dioxide SiO 2 with carbon to the beta modification of silicon carbide). The components for the preparation of the initial mixture are powder of ground quartz glass or polycrystalline quartz SiO 2 and crystalline powder of carbon C. In the process of chemical interaction in a wide range of technological parameters, the main phases in the reaction mixture are cristobalite SiO 2 and low-temperature beta modification of silicon carbide (β - SiC), and with increasing temperature and duration of the carbothermal reduction process, the percentage of beta-modification of silicon carbide in the powder continuously increases, and cristobalite decreases (Fig. 3). On FIG. 4 shows the percentage of beta-modification of silicon carbide in the powder obtained at different temperatures, with a 4-hour exposure at an argon pressure of 0.02 MPa. At a temperature of 1700°C, which is selected for carrying out the carbothermal reduction of silicon dioxide SiO 2 within the framework of the method, there is an almost complete transformation of the powder into a low-temperature beta modification of silicon carbide. A further increase in temperature can lead to the formation of a mixture of hexagonal silicon carbide polytypes and is undesirable. A slight decrease in the temperature of carbothermal reduction or an increase in the pressure of the inert gas is possible, although it will lead to a slight decrease in the content of the beta modification of silicon carbide β - SiC in favor of cristobalite in the reaction mixture. Accordingly, the exposure can be extended up to 5 hours to complete the reaction at 1600°C.

Вторую стадию термообработки реакционной смеси, которая представляет собой смесь порошка низкотемпературной бета-модификации карбида кремния с избыточным углеродом, проводят при 1900-2000°С и выдерживают при этой температуре в течение 2-3 часов в атмосфере инертного газа - аргона высокой чистоты, при давлении 0,05-0,06 МПа.The second stage of heat treatment of the reaction mixture, which is a mixture of powder of low-temperature beta modification of silicon carbide with excess carbon, is carried out at 1900-2000°C and maintained at this temperature for 2-3 hours in an atmosphere of inert gas - high purity argon, at pressure 0.05-0.06 MPa.

При указанном давлении и температуре протекает твердофазная реакция превращения низкотемпературной бета-модификации карбида кремния (β-SiC) в высокотемпературную альфа-модификацию карбида кремния (например, 6Н-SiC). Сублимация низкотемпературной бета-модификации карбида кремния при указанных давлении и температуре затруднена, имеет место в основном твердофазное превращение. Отметим, что сублимация неминуемо приведет к появлению в реакционной смеси набора гексагональных политипов карбида кремния, соответствующих альфа-модификации SiC (Фиг. 5), а также к появлению дополнительного количества углерода в реакционной смеси и снижению выхода порошка SiC.At the specified pressure and temperature, a solid-state reaction proceeds to convert the low-temperature beta modification of silicon carbide (β-SiC) into a high-temperature alpha modification of silicon carbide (for example, 6H-SiC). Sublimation of the low-temperature beta-modification of silicon carbide at the indicated pressure and temperature is difficult, mainly solid-state transformation takes place. Note that sublimation will inevitably lead to the appearance in the reaction mixture of a set of hexagonal silicon carbide polytypes corresponding to the alpha modification of SiC (Fig. 5), as well as to the appearance of an additional amount of carbon in the reaction mixture and a decrease in the yield of SiC powder.

Очевидно, что температура второй стадии термообработки может быть увеличена, но - для подавления сублимации - с одновременным увеличением давления инертного газа (равновесное давление, соответствующее испарению карбида кремния, растет с ростом температуры). Уменьшение температуры отжига ниже 1900°С может привести к неполному превращению бета-модификации карбида кремния в альфа-модификацию карбида кремния или потребует увеличения времени выдержки, так как при температуре ниже 1900°С твердофазное превращение, по нашим данным, затруднено.Obviously, the temperature of the second stage of heat treatment can be increased, but - to suppress sublimation - with a simultaneous increase in the pressure of the inert gas (the equilibrium pressure corresponding to the evaporation of silicon carbide increases with increasing temperature). A decrease in the annealing temperature below 1900°C may lead to incomplete transformation of the beta modification of silicon carbide into the alpha modification of silicon carbide or will require an increase in the holding time, since, according to our data, solid-state transformation is difficult at temperatures below 1900°C.

После второй стадии термообработки при температуре 1900-2000°С реакционная смесь представляет собой смесь альфа-модификации карбида кремния и избыточного углерода. Избыточный углерод может быть удален отжигом реакционной смеси на воздухе при температуре 800-900°С. Необходимая продолжительность стадии отжига на воздухе составляет 5-6 часов и тоже зависит от толщины слоя реакционной смеси в сосуде для отжига (лимитируется доступом воздуха к нижним слоям реакционной смеси).After the second stage of heat treatment at a temperature of 1900-2000°C, the reaction mixture is a mixture of the alpha modification of silicon carbide and excess carbon. Excess carbon can be removed by annealing the reaction mixture in air at a temperature of 800-900°C. The required duration of the annealing stage in air is 5-6 hours and also depends on the thickness of the reaction mixture layer in the annealing vessel (limited by air access to the lower layers of the reaction mixture).

Полученный порошок SiC представляет собой однофазный порошок альфа-модификации карбида кремния.The resulting SiC powder is a single-phase silicon carbide alpha modification powder.

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

Для экспериментальной проверки способа используется реакционная ячейка 4, выполненная из плотного конструкционного графита МПГ-7, подвергнутого вакуумному отжигу при температуре 2200°С, с внутренним диаметром 170 мм и высотой боковых стенок 200 мм. Верхняя крышка 5 выполнена из высокочистого войлока фирмы Карботек и также предварительно подвергнута очистке высокотемпературным вакуумным отжигом.For experimental verification of the method, a reaction cell 4 is used, made of MPG-7 dense structural graphite, subjected to vacuum annealing at a temperature of 2200°C, with an inner diameter of 170 mm and a side wall height of 200 mm. The top cover 5 is made of high-purity felt from Karbotek and also pre-cleaned by high-temperature vacuum annealing.

Порошки диоксида кремния SiO2 и углерода С взвешиваются в нужном количестве на лабораторных весах, после чего загружаются в лабораторный смеситель для порошков или перемешиваются вручную, лабораторной ложкой. Используемые количества порошков (с молярным соотношением диоксида кремния SiO2 к углероду С 1:(3,2-4) (мол.)): диоксида кремния SiO2 120-1200 г, углерода С, соответственно, 80-960 г.Powders of silicon dioxide SiO 2 and carbon C are weighed in the required amount on a laboratory balance, after which they are loaded into a laboratory powder mixer or mixed manually with a laboratory spoon. The amounts of powders used (with a molar ratio of silicon dioxide SiO 2 to carbon C 1: (3.2-4) (mol.)): silicon dioxide SiO 2 120-1200 g, carbon C, respectively, 80-960 g.

После получения однородной смеси исходная смесь засыпается в реакционную ячейку 4, на которую сверху устанавливается крышка из пористого графитового войлока 5. Реакционная ячейка 4 с крышкой 5 помещается внутрь вакуумной печи, после чего в течение 2,5 часов производится откачка от атмосферы до вакуума (меньше 10-2 Па).After obtaining a homogeneous mixture, the initial mixture is poured into reaction cell 4, on which a cover made of porous graphite felt 5 is placed on top. Reaction cell 4 with cover 5 is placed inside a vacuum furnace, after which pumping from the atmosphere to vacuum (less 10 -2 Pa).

После откачки пространство вакуумной печи заполняется инертным газом аргоном до давления 0,02-0,03 МПа, далее осуществляется поддержание указанного давления. Поддержание давления обычно выполняют в динамическом режиме, то есть при небольшом протоке инертного газа через пространство вакуумной печи (1-10 л/час). Осуществляется нагрев реакционной ячейки до температуры 1600-1700°С. Скорость нагрева составляет 10-20°С/мин. После выдержки при температуре 1600-1700°С в течение 4-5 часов реакционную ячейку нагревают до температуры 1900-2000°С, в течение 0,5-1 часа, одновременно увеличивая давление до 0,05-0,06 МПа, и осуществляют выдержку при указанной температуре в течение 2-3 часов. Нагрев осуществляется с использованием резистивного графитового нагревателя из конструкционного отожженного графита А-2, расположенного в пространстве вакуумной печи.After pumping out, the space of the vacuum furnace is filled with inert gas argon to a pressure of 0.02-0.03 MPa, then the specified pressure is maintained. The pressure maintenance is usually carried out in dynamic mode, that is, with a small flow of inert gas through the space of the vacuum furnace (1-10 l/h). The reaction cell is heated to a temperature of 1600-1700°C. The heating rate is 10-20°C/min. After holding at a temperature of 1600-1700°C for 4-5 hours, the reaction cell is heated to a temperature of 1900-2000°C for 0.5-1 hour, while increasing the pressure to 0.05-0.06 MPa, and exposure at the specified temperature for 2-3 hours. Heating is carried out using a resistive graphite heater made of structural annealed A-2 graphite, located in the space of a vacuum furnace.

Далее проводят охлаждение реакционной ячейки до комнатной температуры. После остывания вакуумную печь разгерметизируют, напуская в нее аргон до давления 0,1 МПа. Реакционную ячейку извлекают, ее содержимое пересыпают в кварцевые контейнеры, которые устанавливают внутри атмосферной муфельной печи с силитовыми нагревателями. Проводят отжиг прореагировавшей смеси в течение не менее 5-6 часов при температуре 800-900°С на воздухе. После охлаждения синтезированный порошок SiC пересыпают на хранение в пластиковые емкости.Next, the reaction cell is cooled to room temperature. After cooling, the vacuum furnace is depressurized by filling it with argon to a pressure of 0.1 MPa. The reaction cell is removed, its contents are poured into quartz containers, which are installed inside an atmospheric muffle furnace with silicate heaters. The reacted mixture is annealed for at least 5-6 hours at a temperature of 800-900°C in air. After cooling, the synthesized SiC powder is poured into plastic containers for storage.

Политипный и фазовый состав, а также соотношение основных фаз в порошке SiC определяют методом рентгеновского фазового анализа, насыпную плотность - с использованием мерного стакана и лабораторных весов. Гранулометрический состав исходных порошков определяют методом лазерной дифракционной гранулометрии. Выход процесса определяется в пересчете на кремний, в процентах от исходного количества.The polytype and phase composition, as well as the ratio of the main phases in the SiC powder, is determined by X-ray phase analysis, the bulk density is determined using a measuring cup and laboratory scales. The granulometric composition of the initial powders is determined by laser diffraction granulometry. The output of the process is determined in terms of silicon, as a percentage of the original amount.

Эффект захвата частиц углерода и диоксида кремния восходящим потоком монооксида углерода наблюдают визуально, по осаждению мелкодисперсных частиц на внутренних поверхностях верхней крышки 5 реакционной ячейки 4.The effect of capturing particles of carbon and silicon dioxide by an upward flow of carbon monoxide is visually observed by the deposition of fine particles on the inner surfaces of the top cover 5 of the reaction cell 4.

Данные 12-кратных испытаний способа представлены в Таблице.The data of 12-fold tests of the method are presented in the Table.

Таблица. Результаты 12-кратного испытания способаTable. Results of the 12-fold trial of the method NNNN Исх. вещества
SiO2(Масса, г; Медиана, мкм); С (Масса, г; Медиана, мкм); H, см
Ref. substances
SiO 2 (Mass, g; Median, µm); C (Mass, g; Median, µm); H cm
Карботерм.
восстановл.
T, °C;
p, МПа;
τ, час
Carbotherm.
restored
T, °C;
p, MPa;
τ, hour
Высоко-темп. отжиг
T, °C;
p, МПа;
τ, час
High-temp. annealing
T, °C;
p, MPa;
τ, hour
Отжиг на воздухе
T, °C;
τ, час
Annealing in air
T, °C;
τ, hour
Фазовый состав*Phase composition* Плотность насыпная. г/см3 Bulk density. g/cm 3 Выход, % (по кремнию)Yield, % (by silicon)
11 600, 120
420, 42
7
600, 120
420, 42
7
1500
0,005
6
1500
0.005
6
-
-
-
-
800
5
800
5
3С-SiC, SiO2 3C-SiC, SiO 2 0,250.25 50 **50 **
22 600, 100
420, 42
6,5
600, 100
420, 42
6.5
1500
0,005
5
1500
0.005
5
-
-
-
-
800
2
800
2
3С-SiC, SiO2, C3С-SiC, SiO 2 , C 0,30.3 47 **47**
33 300, 120
200, 42
2,5
300, 120
200, 42
2.5
1700
0,02
5
1700
0.02
5
-
-
-
-
900
4
900
4
3С-SiC3С-SiC 0,30.3 8585
44 400, 120
260, 42
4
400, 120
260, 42
4
1850
0,03
4
1850
0.03
4
-
-
-
-
900
5
900
5
3С-SiC, 6Н-SiC3С-SiC, 6Н-SiC 0,350.35 70**70**
55 600, 120
410, 42
6
600, 120
410, 42
6
1700
0,03
5
1700
0.03
5
1900
0,00015
2
1900
0.00015
2
800
6
800
6
6H-SiC, 15R-SiC, 4H-SiC6H-SiC, 15R-SiC, 4H-SiC 1,11.1 63**63**
66 600, 100
420, 120
6,5
600, 100
420, 120
6.5
1600
0,02
4
1600
0.02
4
2000
0,05
3
2000
0.05
3
900
6
900
6
6H-SiC6H-SiC 0,850.85 9191
77 860, 100
590, 120
10
860, 100
590, 120
10
1600
0,02
5
1600
0.02
5
2000
0,06
2
2000
0.06
2
900
5
900
5
6H-SiC6H-SiC 0,90.9 9595
88 1200, 120
800, 42
15
1200, 120
800, 42
15
1700
0,02
4
1700
0.02
4
1900
0,05
2
1900
0.05
2
800
6
800
6
6H-SiC6H-SiC 0,80.8 35**35**
99 600, 120
420, 42
7
600, 120
420, 42
7
1600
0,03
5
1600
0.03
5
1900
0,05
1
1900
0.05
1
900
6
900
6
6H-SiC6H-SiC 0,90.9 70**70**
1010 600, 100
420, 42
7
600, 100
420, 42
7
1700
0,03
4
1700
0.03
4
2000
0,05
2
2000
0.05
2
900
6
900
6
6H-SiC6H-SiC 0,850.85 76**76**
11eleven 200, 120
120, 42
2,5
200, 120
120, 42
2.5
1700
0,02
4
1700
0.02
4
2000
0,06
2
2000
0.06
2
900
6
900
6
6H-SiC6H-SiC 0,710.71 8585
1212 200, 120
140, 42
6
200, 120
140, 42
6
1700
0,02
4
1700
0.02
4
2000
0,06
2
2000
0.06
2
900
5
900
5
6H-SiC6H-SiC 0,820.82 79**79**
Примечание. * - условные обозначения следующих фаз: 3С-SiC - бета-модификация карбида кремния, 6H, 15R, 4H - различные политипы, соответствующие альфа-модификации карбида кремния, SiO2 - кристобалит, C - углерод; ** - наблюдался вынос частиц углерода из реакционной смеси на внутренние поверхности реакционной ячейки и в пространство печи.Note. * - symbols of the following phases: 3С-SiC - beta modification of silicon carbide, 6H, 15R, 4H - various polytypes corresponding to alpha modification of silicon carbide, SiO 2 - cristobalite, C - carbon; ** - the removal of carbon particles from the reaction mixture to the inner surfaces of the reaction cell and into the furnace space was observed.

По данным испытаний можно сделать ряд выводов, а именно:Based on the test data, a number of conclusions can be drawn, namely:

1) На первой стадии термообработки практически полное карботермическое восстановление диоксида кремния SiO2 до низкотемпературной бета-модификации карбида кремния (β-SiC) происходит при температуре не менее 1600-1700°С, при давлении инертного газа 0,02-0,03 МПа. При бóльших температурах полученный в результате первой стадии термообработки порошок состоит из двух фаз - низкотемпературной бета-модификации карбида кремния (β - SiC) и высокотемпературной альфа-модификации (α - SiC), причем выход продукта снижается.1) At the first stage of heat treatment, almost complete carbothermal reduction of silicon dioxide SiO 2 to low-temperature beta modification of silicon carbide (β-SiC) occurs at a temperature of at least 1600-1700 ° C, with an inert gas pressure of 0.02-0.03 MPa. At higher temperatures, the powder obtained as a result of the first stage of heat treatment consists of two phases - a low-temperature beta modification of silicon carbide (β - SiC) and a high-temperature alpha modification (α - SiC), and the product yield decreases.

2) Для отжига избыточного углерода, который остается в порошке карбида кремния после первой или второй стадии термообработки, необходимы температуры 800-900°С, длительность отжига на воздухе должна составлять 5-6 часов, в зависимости от количества порошка карбида кремния.2) To anneal the excess carbon that remains in the silicon carbide powder after the first or second stage of heat treatment, temperatures of 800-900°C are required, the annealing time in air should be 5-6 hours, depending on the amount of silicon carbide powder.

3) Полученный в результате первой стадии термообработки порошок карбида кремния имеет крайне низкую насыпную плотность (0,2-0,4 г/см3) и не может быть непосредственно использован в качестве источника для выращивания монокристаллов SiC, а должен быть подвергнут второй стадии термообработки.3) The silicon carbide powder obtained as a result of the first stage of heat treatment has an extremely low bulk density (0.2-0.4 g/cm 3 ) and cannot be directly used as a source for growing SiC single crystals, but must be subjected to the second stage of heat treatment .

4) Вторая стадия термообработки позволяет получить однофазный порошок альфа-модификации карбида кремния при температуре 1900-2000°С и давлении инертного газа 0,05-0,06 МПа. Увеличение температуры или снижение давления приводит к сублимации карбида кремния, как следствие, к снижению выхода и получению порошка, представляющего собой смесь политипов альфа-модификации карбида кремния.4) The second stage of heat treatment makes it possible to obtain a single-phase powder of silicon carbide alpha modification at a temperature of 1900-2000°C and an inert gas pressure of 0.05-0.06 MPa. An increase in temperature or a decrease in pressure leads to sublimation of silicon carbide, as a result, to a decrease in yield and the production of a powder, which is a mixture of polytypes of the alpha modification of silicon carbide.

5) Результаты осуществления способа зависят от гранулометрического состава исходных порошков, в первую очередь, порошка углерода. Увеличение толщины слоя H реакционной смеси выше 15-18 см для порошка углерода (с медианой 120 мкм) приводит к уменьшению выхода процесса, вследствие захвата частиц углерода восходящим потоком монооксида углерода CO. Для частиц углерода с медианой 42 мкм эффект захвата не наблюдается только при толщине слоя реакционной смеси H ≤ 2 см, в соответствии с формулой (3).5) The results of the implementation of the method depend on the particle size distribution of the initial powders, primarily carbon powder. Increasing the thickness of layer H of the reaction mixture above 15-18 cm for carbon powder (with a median of 120 μm) leads to a decrease in the yield of the process, due to the capture of carbon particles by the upward flow of carbon monoxide CO. For carbon particles with a median of 42 μm, the trapping effect is not observed only when the layer thickness of the reaction mixture is H ≤ 2 cm, in accordance with formula (3).

6) В результате последовательных стадий термообработки и отжига на воздухе при оптимальных режимах можно синтезировать порошок альфа-модификации карбида кремния с насыпной плотностью 0,7-1,0 г/см3.6) As a result of successive stages of heat treatment and annealing in air under optimal conditions, it is possible to synthesize alpha-modified silicon carbide powder with a bulk density of 0.7-1.0 g/cm 3 .

В целом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет увеличить выход процесса до 80 - 95 % (по кремнию) и позволяет увеличить срок эксплуатации печи за счет отсутствия агрессивного воздействия на элементы конструкции печи.In general, in comparison with the prototype, the proposed method allows to increase the process yield up to 80 - 95% (silicon) and allows to increase the service life of the furnace due to the absence of an aggressive effect on the furnace structural elements.

Claims (1)

Способ получения порошка карбида кремния, при котором смешивают диоксид кремния и углерод, полученную смесь размещают в вакуумной печи, заполняют печь инертным газом и подвергают смесь термообработке в атмосфере инертного газа с последующим отжигом избыточного углерода на воздухе, отличающийся тем, что исходные компоненты смешивают в соотношении SiO2:C = 1:(3,2-4,0) (мол.), а толщина слоя исходной смеси пропорциональна квадрату среднего диаметра зерна порошка углерода и не должна превышать 15-18 см для среднего диаметра зерна 120 мкм при насыпной плотности 0,6-0,8 г/см3, причем термообработку осуществляют в две стадии в вакуумной печи, заполненной инертным газом: вначале в течение 4-5 ч при давлении инертного газа 0,02-0,03 МПа и температуре 1600-1700°С, затем осуществляют повторный нагрев и выдержку при температуре 1900-2000°С в течение 1-2 ч при давлении 0,05-0,06 МПа.A method for producing silicon carbide powder, in which silicon dioxide and carbon are mixed, the resulting mixture is placed in a vacuum furnace, the furnace is filled with an inert gas, and the mixture is subjected to heat treatment in an inert gas atmosphere, followed by annealing of excess carbon in air, characterized in that the initial components are mixed in the ratio SiO 2 :C = 1:(3.2-4.0) (mol.), and the thickness of the layer of the initial mixture is proportional to the square of the average grain diameter of the carbon powder and should not exceed 15-18 cm for an average grain diameter of 120 μm at a bulk density 0.6-0.8 g/cm 3 , and the heat treatment is carried out in two stages in a vacuum furnace filled with an inert gas: first for 4-5 hours at an inert gas pressure of 0.02-0.03 MPa and a temperature of 1600-1700 °C, then reheat and hold at a temperature of 1900-2000°C for 1-2 hours at a pressure of 0.05-0.06 MPa.
RU2022114163A 2022-05-26 Method for producing silicon carbide powder RU2791964C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2791964C1 true RU2791964C1 (en) 2023-03-14

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4162167A (en) * 1976-05-24 1979-07-24 Ibigawa Electric Industry Co., Ltd. Process and an apparatus for producing silicon carbide consisting mainly of beta-type crystal
KR20110021530A (en) * 2009-08-26 2011-03-04 엘지이노텍 주식회사 High purity silicon carbide manufacturing method and system
RU2537616C1 (en) * 2013-06-24 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт минералогии Уральского отделения Российской академии наук Method of carbothermal synthesis of disperse silicin carbide powders
RU2627428C1 (en) * 2016-10-31 2017-08-08 Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" Method of producing silicon carbide
RU2747988C1 (en) * 2020-02-17 2021-05-18 Константин Сергеевич Ёлкин Method for production of silicon carbide

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4162167A (en) * 1976-05-24 1979-07-24 Ibigawa Electric Industry Co., Ltd. Process and an apparatus for producing silicon carbide consisting mainly of beta-type crystal
KR20110021530A (en) * 2009-08-26 2011-03-04 엘지이노텍 주식회사 High purity silicon carbide manufacturing method and system
RU2537616C1 (en) * 2013-06-24 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт минералогии Уральского отделения Российской академии наук Method of carbothermal synthesis of disperse silicin carbide powders
RU2627428C1 (en) * 2016-10-31 2017-08-08 Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" Method of producing silicon carbide
RU2747988C1 (en) * 2020-02-17 2021-05-18 Константин Сергеевич Ёлкин Method for production of silicon carbide

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kevorkijan et al. Low-temperature synthesis of sinterable SiC powders by carbothermic reduction of colloidal SiO 2
CA1076611A (en) Si3n4 formed by nitridation of sintered silicon compact containing boron
Narushima et al. High‐temperature oxidation of chemically vapor‐deposited silicon carbide in wet oxygen at 1823 to 1923 K
Mazdiyasni et al. Synthesis, characterization, and consolidation of Si3N4 obtained from ammonolysis of SiCl4
Favre et al. An original way to investigate the siliconizing of carbon materials
KR101413653B1 (en) A method for manufacturing SiC powders with high purity
Suematsu et al. The α–β transformation in silicon nitride single crystals
CN105308223B (en) Method for synthesizing ultra-high purity carborundum
JP2011102205A (en) METHOD FOR CONTROLLING PARTICLE SIZE OF alpha-SILICON CARBIDE POWDER AND SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL
US4469802A (en) Process for producing sintered body of boron nitride
US4517305A (en) Finely divided silicon carbide having a high content of 2H-type silicon carbide and method of producing the same
US4040848A (en) Polycrystalline silicon articles containing boron by sintering
RU2791964C1 (en) Method for producing silicon carbide powder
Sung et al. Novel process for recrystallized silicon carbide through β-α phase transformation
RU2799378C1 (en) Method for producing silicon carbide powder
JPS63274611A (en) Manufacture of ceramic powder based on beta'-sialon
Cho et al. Synthesis of nitrogen ceramic povvders by carbothermal reduction and nitridation Part 1 Silicon nitride
CN110357051A (en) A kind of preparation method of monocrystalline α phase silicon nitride nano whisker
Julbe et al. Effect of boric acid addition in colloidal sol-gel derived SiC precursors
RU2802961C1 (en) Method for producing 4h polytype silicon carbide powder
US5585084A (en) Silicon nitride powder
JP3669406B2 (en) Silicon nitride powder
CN110790245A (en) Method for preparing silicon oxynitride nano powder by thermal explosion synthesis-gravity separation
Zavjalov et al. Spark Plasma Sintering of SiC Ceramics Based on Natural Renewable Raw Materials
Liu et al. Fabrication of Highly Dense Pure 6H-SiC Ceramics via the PVT Method Using sub-micron SiC powders