Способ получения ультрадисперсного порошка карбида кремния Советский патент 1990 года по МПК C01B31/36 

Изобретение относится к технологии получения карбидов, а именно к способу получения ультрадисперсного порош- ка карбида кремния, используемого для спекания изделий, работающих в агрессивных средах и при высоких температурах, в частности, в космонавтике, ракетостроении, энергетике.

Целью изобретения является повышение дисперсности частиц порошка карбида кремния.

Способ осуществляется следующим образом.

Диоксид кремния смешивают с высокодисперсным углеродным компонентом,

имеющим сферическую форму частиц, в молярном соотношении 1:4; порошком нитрида алюминия в количестве 0,3 - 0,5 мас.% и водой, Смесь брикетируют и сушат в течение 10 ч при 150°С и загружают в графитовый тигель, который помещают в печь. Углетермический синтез проводят при 1400-1450°С в течение 4-6 ч в протоке аргона с добавкой 10-20 об.% азота.

Использование катализатора позволяет активировать процесс образования карб.ида кремния, последняя стадия которого описывается химическим уравне- i нием

СЛ

ел ел

N9 Ч

О

SiCL + 2C

SiC + CO,

Добавка азота к аргону также оказывает каталитическое воздействие на процесс образования карбида кремния.

Применение нитрида алюминия и азота позволяет снизить температуру и продолжительность синтеза, что способствует получению ультрадисперсно- .го порошка карбида кремния.

Выбор 0,3 мас.% нитрида алюминия в качестве нижнего предела объясняется тем, что при меньшем содержании A1N его воздействие на процесс получения порошка карбида кремния становится незначительным. При увеличении добавки нитрида алюминия ( 0,5 мас.%) его воздействие на процесс получения карбида кремния остается постоянным, но наличие А1 и N в порошке карбида кремния в количестве 2 мас.% отрицательно сказывается на качестве изделий из порошка карбида кремния.

Выбор 10 об.% азота в качестве нижнего предела объясняется тем, что при меньшем содержании азота его воздействие на процесс образования SiC становится незначительным. При увеличении содержания азота в смеси (20 об.%) его воздействие на процесс получения карбида кремния остается постоянным, но присутствие азота в большем количестве приводит к значи- тельному загрязнению порошка карбида кремния азотом.

При 1400-1450°С и продолжительности выдержки 4-6 ч происходит окончательное образование карбида кремния из SiO и С.

В случае проведения синтеза при температуре О400°С реакция образования карбида кремния идет не до конца и карбид кремния сильно загрязнен кислородом. В случае проведения син 45 теза при температуре 1450 С образуются отдельные крупные агломераты размером 100 мкм, что отрицательно сказывается на качестве порошка карбида кремния.50

Продолжительность выдержки 4-6 ч, так как при меньшем времени выдержки со, -ержание кислорода в карбиде кремния превышает 1%, а превышение 10 ч приводит к росту энергозатрат и воз- 55 растает вероятность образования крупных агломератов в порошке SiC.

В результате проведения процесса по указанному режиму получают ультра15552794

дисперсный порошок карбидакремния. Средний размер частиц порошка 0,2 - 0,4 мкм. Присутствие в порошке отдель5 ных частиц размером более 20 мкм не обнаружено.

Содержание кислорода в полученном порошке карбида кремния 0,2-0,4 мас.%. Содержание свободного углерода

10 Ю мас.%. Свободный углерод легко удаляется при отжиге порошка карбида кремния на воздухе при 600°С в течение 40 ч. Суммарное содержание Fe, Si и Са не-,превышает 0,1 мас.%. Со15 держание азота варьируется от 1 до 3 мас.%, а алюминия - от 0,2 до 0,4 мас.%.

Согласно рентгенофазовому анализу, полученный карбид кремния имеет сле20 дующий фазовый состав: в SiC 60-85%, неупорядоченный карбид кремния I0-20% ti SiC 5-20%.

Пример 1. Смесь диоксида кремния с высокодисперсным углеродным

25 компонентом в молярном соотношении

1:4, 0,3 мас.% порошка нитрида алюминия и водой брикетируют, сушат в течение 10 ч при 150°С и загружают в графитовьй тигель, который помещают

30 в печь. Продолжительность выдержки при 1400°С. в протоке смеси аргона с 10 об.% азота 4 ч. Для удаления углерода проводят отжиг порошка SiC на воздухе при 600°С в течение 40 ч.

Полученный порошок карбида кремния имеет следующие характеристики: средний размер частиц 0,2 мкм, максимальный размер частиц Ј15 мкм; содержание мас.%: кислород 0,4; свободный угле40 род 0,05; азот 1,5; алюминий 0,2; Fe 0,05.

35

Пример 2. Смесь диодксида кремния с высокодисперсным углеродным компонентом в молярном соотноше нии 1:4, 0,5 мас.% порошка нитрида алюминия и водой брикетируют, сушат в течение 10 ч при 150°С и загружают в графитовьй тигель, который помещают в печь, Пррдолжительность выдержки при 1450°С в протоке смеси аргона с 20 об.% азота 6 ч. Для удаления углерода проводят отжиг порошка SiC на воздухе при 600 С в течение 40 ч.

Полученный порошок карбида кремния имеет следующие характеристики: средний размер частиц 0,4 мкм, максимальный размер частиц 20 мкм; содержание, мас.%: кислород 0,2; свободный

Пример 2. Смесь диодксида кремния с высокодисперсным углеродным компонентом в молярном соотноше нии 1:4, 0,5 мас.% порошка нитрида алюминия и водой брикетируют, сушат в течение 10 ч при 150°С и загружают в графитовьй тигель, который помещают в печь, Пррдолжительность выдержки при 1450°С в протоке смеси аргона с 20 об.% азота 6 ч. Для удаления углерода проводят отжиг порошка SiC на воздухе при 600 С в течение 40 ч.

Полученный порошок карбида кремния имеет следующие характеристики: средний размер частиц 0,4 мкм, максимальный размер частиц 20 мкм; содержание, мас.%: кислород 0,2; свободный

ния и водой брикетируют, сушат в ние 10 ч при 150 С и загружают в

углерод 0,05; азот 2,0; алюминий 0,4; Fe 0,05.

Пример 3. Смесь диоксида кремния с высокодисперсньм углеродным компонентом в молярном соотношении 1:4, 0,4 мас.% порошка нитрида алюмитечеграфитовый тигель, который помещают в печь. Продолжительность выдержки при 1425°С в протоке смеси аргона с 15 об.% азота 5 ч. Для удаления углерода проводят отжиг порошка SiC на воздухе при 600 С в течение 40 ч.

Полученный порошок карбида кремния имеет следующие характеристики: сред- .ний размер частиц 0,3 мкм, а максимальный размер частиц Ј20 мкм; содержание, мас.%: кислород 0,3; свободный углерод 0,05; азот 2,0; алюминий 0,3; Fe 0,05.

Пример 4. Смесь диоксида кремния с высокодисперсным углеродным компонентом в молярном соотношении 1:4, 0,2 мас.% порошка нитрида алюминия и водой брикетируют, сушат в течение 10 ч при 150°С и загружают в графитовый тигель, который помещают в печь. Продолжительность выдержки при 1350°С в протоке смеси аргона с 5 об.% азота 3 ч. Для удаления углерода проводят отжиг порошка SiC на воздухе при 600°С в течение 40 ч.

Полученный порошок карбида кремния имеет следующие характеристики: средний размер.частиц 0,1 мкм, максимальный размер частиц Ю мкм; содержание, мас.%: кислородНв; свободный углерод 0,05; азот 1,5; алюминий 0,1; Fe 0,05. Полученный порошок SiC имеет очень высокое содержание кислорода и не может использоваться в практических целях.

Пример 5. Смесь диоксида кремния с высокодисперсным углеродным компонентом в молярном соотношении 1:4, 0,6 мас.% порошка нитрида алюминия и водой брикетируют, сушат в течение 10 ч при 150°С и загружают в графитовый тигель, который помещают в печь. Продолжительность выдержки при 1500°С в протоке смеси аргона с 25 об.% азота 7 ч. Для удаления углерода проводят отжиг порошка SiC на воздухе при 600 С в течение 40 ч.

Полученный порошок карбида кремния имеет следующие характеристики: средний размер частиц 1,5 мкм, а максимальный -размер частиц достигает 50 мкм; содержание, мас.%: кислород 0,2; свободный углерод 0)05; азот 5; алюминий 0,5; Fe 0,05. Сравнительно большой средний размер частиц, присутствие в порошке SiC частиц с размером 50 мкм, повышенное содержание азота и алюминия не позволяют получить вы- Q сокоплотные изделия из такого порошка карбида кремния.

Таким образом, приведенные примеры 1-5 свидетельствуют об уменьшении среднего размера частиц порошка SiC. 5 В полученном порошке карбида кремния отсутствуют частицы размером более 20 мкм, что свидетельствует об узкой кривой распределения частиц этого порошка по размерам. Снижение темпе- 0 ратуры и продолжительности синтеза по сравнению с известным способом приводит к уменьшению энергозатрат. Дополнительное содержание алюминия и азота в порошке карбида кремния, по- 5 лученного по предлагаемому способу, не отражается негативно на последующих стадиях изготовления из него изделий, так как А1 и N часто добавляются в порошок SiC для активирования 0 уплотнения образцов при спекании и горячем прессовании.

Из полученного порошка карбида кремния с добавками .C методом горячего прессования при 2000°С и давлении 50 ЮТа в течение 0,5 ч изготовлены образцы с плотностью, составляющей 96% от теоретической.

Но сравнению с известным способом средний размер частиц полученного по- роика SiC уменьшается в два раза, а энергозатраты снижаются на 20%.

Карбид кремния в промышленном масштабе получают методом Ачесона, при котором карбид кремния образуется при 5 ь2500°С. Средний размер частиц SiC в этом случае 30-40 мкм, а содержание кислорода в нем превышает 0,6 мас.%. Но предлагаемому способу удается получить более чистьй порошок карбида 0 кремния со средним размером частиц на порядок меньшим, чем по известному способу.

5

0

Формула изобретения

Способ получения ультрадисперсного порошка карбида кремния, включающий смешивание диоксида кремния и углеродного компонента, взятого с избыт715552798

ком, брикетирование смеси и высоко- подают катализатор - нитрид алюминия

температурный нагрев ее в атмосферев количестве 0,3-0,5 мас.%, а нагрев

аргона, отличающийся тем,смеси проводят при 1400-1450°С в течто, с целью повышения дисперсности счение 4-6 ч в атмосфере аргона, сопорошка, на смешивание дополнительнодержащей 10-20% азота.

Изобретение относится к технологии получения карбидов, а именно к способу получения ультрадисперсного порошка карбида кремния, используемого для спекания изделий, работающих в агрессивных средах при высокой температуре, в частности, в космонавтике, ракетостроении, энергетике. Цель изобретения - повышение дисперсности частиц порошка карбида кремния. Способ включает приготовление смеси из диоксида кремния и углеродного компонента, взятого с избытком, в присутствии катализатора - нитрида алюминия в количестве 0,3-0,5 мас.%, брикетирование смеси и высокотемпературный нагрев ее или углетермический синтез при 1400-1540°С в течение 4-6 ч в атмосфере аргона, содержащей 10-20 об.% азота. Полученный при этом ультрадисперсный порошок карбида кремния имеет удельную поверхность 25-30 м²/г, расчетный размер частиц 0,075-0,063 мкм.