Способ получения пористых изде-лий из КАРбидА КРЕМНия Советский патент 1981 года по МПК C04B35/565 

1

Изобретение относится к способам получения изделий из карбида кремния и может быть использовано в технологии получения пористых изделий из карбида кремния, в частности контейнеров, реакторов, фильтров, диафрагм, перегородок, пластин, теплозащитных и тепловыравнивающих экранов в металлургической промышленности.

Известен способ получения изделий из карбидокремниевых материалов па керамических связках по традиционной технологии, принятой при производстве керамических материалов 1. Этот способ заключается в приготовлении шликера, прессовании, сушке сырца и обжиге изделий.

Недостатком этого метода является низкая прочность сырца, что приводит к деформации и растрескиванию заготовок при обжиге. Кроме того, технология получения изделий таким методом многостадийна и требует введения в исходную смесь различных веществ, применяемых в качестве связки.

Известен способ получения пористого материала из карбида кремния путем введения в исходную смесь добавок с последующей термообработкой 2. По этому способу исходную смесь, состоящую из 100 вес. ч. карбида кремния, 40-150 вес. ч. жидкого

стекла и 0,5-10 вес. ч. плавленых бикарбоната натрия или бикарбоната или карбоната аммония, формуют и нагревают вначале до температуры 50-300°С для отвердения

жидкого стекла и разложения на составные части плавленых неорганических веществ, а затем отжигают полученный вспененный продукт при температуре 800-1600°С для кристаллизации карбида кремния и перехода в стекловидное состояние жидкого стекла.

Недостатками данного способа является наличие в полученных изделиях жидкого стекла и адсорбированных газов, образующихся при разложении связующих веществ в процессе термообработки изделий, а также мпогооперационность технологии.

Кроме того, в изделиях, полученных по известному способу путем введения выгорающих добавок, после термообработки жидкое стекло не выгорает, а переходит в стекловидное состояние. Процессы получения полупроводниковых материалов и редких металлов (процессы прямого синтеза, процессы получения эпитаксиальпых структур, процессы выращивания монокристаллов, процессы дистилляционной очистки и др.) ведутся при температуре 1200-1700°С и вакууме мм рт. ст. При этих

условиях изделия из карбида кремния, полученные известным способом, служат источником загрязнения получаемых полупроводниковых материалов и редких металлов натрием, калием, кремнием, кислородом, т. е. элементами, из которых состоит жидкое стекло.

Кроме того, при названных выше условиях выделяются адсорОированные карбидом кремния газы, образующиеся нри разложении связующих веществ в ироцессе термообработки изделий из карбида кремния, и, в свою очередь, также загрязняют полупроводниковые материалы и редкие металлы.

Целью нредлагаемого спосооа является новыщение чистоты изделий и упрощение процесса.

Поставленная цель достигается тем, что в спосоое получения иористых изделий из карбида кремния, включающем формирование заготовки и последующую термообработку, термообработку проводят в две стадии, сначала до температуры 1800-2000С в вакууме мм рт. ст. с выдержкой 1-2 час, затем до температуры 2300- 2400С в атмосфере инертного газа с выдержкой 4-6 час.

В качестве исходного материала могут быть использованы измельченные отходы карбида кремния различного гранулометрического состава.

Сущность способа заключается в том, что указанная совокупность операций позволяет получить пористое изделие с регулируемым размером пор, однородное но фазовому составу.

I стадия процесса необходима для того, чтобы образовать каркас изделия только за счет протекания процесса испарения-конденсации. В этом случае дальнейшее спекание будет содействовать лишь сфероидизации пор, а не уплотнению изделия.

При нагреве до температуры 1800- 2000 С в вакууме ЫО -1-10- мм рт. ст. давление паров над SiC достигает заметной величины, происходит сублимация карбида кремпия и образование каркаса получаемого изделия за счет конденсации карбида кремния из газовой фазы на участках контакта частиц исходного SiC. Кроме того, при нагреве в вакууме происходит дегазация рабочей камеры и таким образом исключается вероятность загрязнения получаемого изделия примесями, находящимися в футеровке нечи и выделяющимися ири нагреве.

При темнературе ниже 1800°С и вакууме ниже мм рт. ст. давление паров карбида кремния невысоко, процесс сублимации проходит очень медленно, что позволяет получить каркас изделия. Вредмени выдерл ки менее 1 час недостаточно для образования каркаса изделия.

При температуре выше 2000°С и вакууме выше 1 10-2 рт. ст. сублимация карбида кремния идет . большой скоростью, происходит интенсивное испарение SiC и удаление его из печного пространства. Выдержка более 2 час нецелесообразна, так как возрастает энергоемкость процесса.

В результате проведения I стадии процесса происходит частичное спекание частиц карбида кре.мпия за счет испарения и кондепсации частиц SiC, что приводит к формированию каркаса изделия.

На второй стадии процесса проводится окончательное спекание изделия в атмосфере инертного газа при температуре 230U- 2400С в течение 4-6 час. Спекание происходит как за счет вещества, конденсирующегося из газовой фазы, так и за счет твердофазной диффузии. На этой стадии спекание происходит, в основном, за счет сфероидизации пор и поэтому не происходит уплотнения изделия.

Температура спекания ниже 2300°С и время выдержки-менее 4 час недостаточны для получения прочного изделия из карбида кремния.

Пористые изделия, полученные при сиекании при температуре 2300-2400°С в течение 4-6 час, имеют хорощую прочность.

Изделия, спеченные при температуре выще 2400°С или в течение более 6 час, имеют низкую прочность за счет интенсивного испарения карбида кремния и за счет направленного роста отдельных кристаллов вдоль гексагональной оси. Возникающая при этом анизотропия приводит к существенному снижению свойств полученных изделий.

Пример 1. Получение трубы из пористого карбида кремния диаметром 100 мм и длипой 500 мм проводят следующим образом. Размолотый до фракции 0,10-0,15 мм карбид кремния засыпают в форму и подвергают нагреву в вакууме 1 мм рт. ст. при температуре 1800С в течение 2 час. Затем камеру печи заполняют аргоном и поднимают температуру до . При этой температуре выдерживают в течение 5 час. В результате по данному режиму получают труоу из карбида кремния с пористостью 31-32%.

П р и м е р 2. Процесс получения реактора диаметром 90 мм и высотой 400 мм проводят аналогично. Порошок карбида кремния фракции 0,08-0,12 мм засыпают в форму и подвергают нагреву в вакууме 5-10 мм рт. ст. до температуры в течение 1,5 час. Затем в печь подают аргон и поднимают температуру до 2400°С. Выдержка при этой температуре 6 час.

В результате по данному режиму получают реактор из карбида кремния с нористостью 19%.

Пример 3. Процесс нолучения пластин диаметром 200 мм проводят аналогично. Размолотый до фракции 0,5-0,6 мм карюил кремния засыпают в форму и подвергают нагреву при температуре 2000°С в течение

1 час в вакууме ЫО- мм рт. ст. Затем в печь подают аргон и продолжают процесс при температуре 2300°С в течение 5,5 час.

В результате получают пластину из карбида кремния с пористостью 25%.

Таким образом, предложенный способ по сравнению с известным способом имеет следующие преимущества.

В связи с тем, что пористые изделия пз карбида кремния, полученные предложенным способом, применяются в металлургни полупроводников и редких металлов, особые требования предъявляются к чистоте этих изделий. Это вызвано тем, что содержание примесей в иолупроводниковых материалах и редких металлах по требованиям технических условий ие должно превыщать 1 МО- вес. %.

По предложенному способу пористые изделия из карбида кремния получают за 3 операции (измельчение, рассев и термообработка).

По известному способу эти же изделия получают за 8 операций ( измельчение, рассев, приготовление щликера, смещение, протирание массы, прессование, сущка сырца и термообработка).

Следовательно, при получении изделий из пористого карбида кремния по предложенному способу значительно сокращается

количество операций по сравнению с известным способом.

Полученные пористые изделия из карбида кремния применяют в качестве контейнеров

в технологии переработки W-Мо-Re отходов окисно-ректификационным способом, в технологии получения металлического рения, в качестве теплозащитных и тепловыравнивающих экранов в металлургии редких металлов и полупроводниковых материалов.

Формула изобретения

Способ получения пористых изделий из карбида кремения путем формования заготовки и последующей термообработки, о тличающийся тем, что, с целью повышения чистоты изделий и упрощения процесса, термообработку проводят в две стадии, сначала при температуре 1800-2000°С в вакууме 1-10 -1-10 2 мм рт. ст. с выдержкой 1-2 часа, затем при температуре 2300- 2400°С в атмосфере инертного газа с выдержкой 4-6 час. Источники информацни,

принятые во внимание при экспертизе

1.Гнесин Г. Г. «Карбидокремниевые материалы, М., 1977.

2.Патент Австралин № 434595, кл. 18,5, опубл. 1973.