Термодинамическое моделирование количественных отношений фаз, сосуществующих в процессе карботермического синтеза β-SiC

Алексей Сергеевич Лебедев, Вячеслав Евгеньевич Еремяшев, Евгений Алексеевич Трофимов, Юлия Дмитриевна Савина

Аннотация


Уникальные свойства карбида кремния в виде ультрадисперсных порошков обусловливают его широкое применение в качестве различных наполнителей и модификаторов сплавов, керамических и металлокерамических материалов, защитных покрытий различного назначения. В настоящее время практически весь ультрадисперсный порошок карбида кремния получают из модификации α-SiC, синтезированного по многостадийной технологии методом Ачесона. Текущая тенденция развития технологий синтеза SiC направлена на получение порошков карбида кремния 3С-SiC(β) модификации, обладающей более привлекательными характеристиками. Данный аспект определяет актуальность исследований, направленных на разработку и апробирование эффективных технологий получения ультрадисперсных порошков карбида кремния 3С-SiC(β) модификации.

В работе приведены результаты термодинамического моделирования фазовых равновесий, реализующихся в системе Si–O–C для сечения C–SiO2 в диапазоне температур 1400–1900 °С при различных отношениях количества углерода и оксида кремния. В процессе проведённых расчётов учитывалась возможность появления в системе газовой фазы и жидких кремния, углерода и оксида кремния. Теоретически определены доли основных компонентов, объем и состав газов, образующихся в ходе синтеза. В соответствии с результатом расчета фазовых диаграмм образование газообразных продуктов взаимодействия наблюдается только при температуре выше 1514 °C. Основным компонентом газовой смеси, образующейся в процессе синтеза в зоне реакции, является угарный газ. Среди других компонентов газовой смеси можно выделить монооксид кремния и углекислый газ. Содержание других компонентов, среди которых преобладают кремнийсодержащие, является несущественным. При соотношении C/(SiO2+C) ≥ 0,37 в газовой фазе имеет место скачкообразное снижение содержания всех газов-примесей

Полученные данные создают теоретическую основу для выбора оптимальных условий для создания устойчивой автономной защитной атмосферы при проведении карботермического синтеза карбида кремния 3С-SiC(β) модификации, что обеспечивает надежную теоретическую основу энергоэффективного карботермического метода синтеза микроразмерного SiC из чистого природного кварца и графита без использования внешней защитной атмосферы.

Ключевые слова


карбид кремния; карботермический синтез; термодинамическое моделирование; состав фаз

Полный текст:

PDF

Литература


Roewer, G. Silicon carbide a survey of synthetic approaches, properties and applications / G. Roewer, U. Herzog, К. Trommer et al. // Structure and Bonding. – 2002. – V. 101. – P. 59–135.

Ефременкова, В.M. Информационное сопровождение научных исследований по карбиду кремния / В.M. Ефременкова, В.Г. Севастьянов // НТИ. Сер. 1. Орг. и методика информ. работы. – 2004. – № 9. – С. 16.

Stephen, E. Advances in silicon carbide processing and applications / E. Stephen // Saddow Anant Agarwal Editors. Boston • London – Artech House, Inc. – 2004.

Растегаев, В.П. Получение монокристаллов полупроводникового карбида кремния в ва-кууме / В.П. Растегаев // Перспективные материалы. – 2008. – № 2. – С. 43–48.

Раткин, Л.С. Новые разработки российской академии наук в сфере нанотехнологий / Л.С. Раткин // Нано- и микросистемная техника. – 2010. – № 4. – С. 2–4.

Карбид кремния: технология, свойства, применение / О.А. Агеев, А.Е. Беляев, Н.С. Болто-вец и др.; под общ. ред. А.Е. Беляева и Р.В. Конаковой. – Харьков: ИСМА, 2010. – 532 с.

Silicon carbide. Materials, processing and applications in electronic devices / M. Mukherjee. – InTech., 2011. – 558 p.

Kevorkijan, V.M. Low-temperature synthesis of sinterable SiC powders by carbothermic reduc-tion of colloidal SiО2 / V.M. Kevorkijan, M. Komak, D. Kolar // Journal of Materials Science. – 1992. – V. 27. – P. 2705–2712.

Martin, H.P. Synthesis of Nanocrystalline Silicon Carbide Powder by Carbothermal Reduction / H.P. Martin, R. Ecke, E. Muller // Journal of the European Ceramic Society. – 1998. – V. 18. – P. 1737.

Wesch, W. Silicon carbide: synthesis and processing / W. Wesch // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. – 1996. – Vol. 116. – P. 305.

Thermodynamic analysis of the production of silicon carbide via silicon dioxide and carbon / V.G. Sevastyanov, E.P. Simonenko, Yu.S. Ezhov, N.T. Kuznetsov // Material Science Forum. – 2004. – V. 59. – P. 457–460.

The synthesis of nanostructured SiC from waste plastics and silicon powder / Z. Ju, L. Xu, Q. Pang et al. // Nanotechnology. – 2009. – № 2. – P. 20–55.

Oh, S.M. Preparation of nano-sized silicon carbide powder using thermal plasma / S.M. Oh, M. Cappelli, D.W. Park // Korean J. Chem. Eng. – 2002. – V. 19. – P. 903–907.

Krstic, V.D. Production of Fine, High-Purity Beta Silicon Carbide Powders / V.D. Krstic // Journal of the American Ceramic Society. – 1992. – V. 75. – P. 170–174.

Севастьянов, В.Г. Влияние природы прекурсоров высокодисперсного углерода на морфо-логию наночастиц карбида кремния / В.Г. Севастьянов, Р.Г. Павелко, Н.Т. Кузнецов // Химиче-ская технология. – 2007. – Т. 1. – С. 12–17.

Курбаков, С.Д. Осаждение высокоплотных карбидокремниевых покрытий при пиролизе хлорпроизводных силана в псевдоожиженном слое / С.Д. Курбаков, Т.А. Миреев // Химия твер-дого топлива. – 2009. – № 2. – С. 60–72.

New manufacturing process for nanometric SiC / B. Babić, D. Bučevac, A. Radosavljević-Mihajlović et al. // Journal of the European Ceramic Society. – 2012. – V. 32, Issue 9.

Transition between amorphous and crystalline phases of SiC deposited on Si substrate using H3SiCH3 / L. Wang, S. Dimitrijev, J. Han et al. // Journal of Crystal Growth. – 2009. – V. 311, Is-sue 19. – P. 4442–4446.

Orthnerz, M.P. Design and Performance of an LPCVD Reactor for the Growth of 3C-Silicon Carbide / M.P. Orthnerz, L.W. Rieth, F. Solzbacher // ECS – The Electrochemical Society. – 2009. – V. 92, № 6. – P. 1296–1302.

ElGazzar, H. Preparation and characterizations of amorphous nanostructured SiC thin films by low energy pulsed laser deposition / H. ElGazzar, H.G. Abdel-Rahman Salem, F. Nassar // Applied Sur-face Science. – 2010. – V. 256. – P. 2056–2060.

Особенности и механизмы роста пленок кубического карбида кремния на кремнии / Л.К. Орлов, Э.А. Штейнман, Т.Н. Смыслова и др. // Физика твердого тела. – 2012. – Т. 54, № 4. – С. 666–672.

Синтез тонких пленок SIC на подложках SI методом ионно-лучевого распыления поверх-ность / И.К. Бейсембетов, К.Х. Нусупов, Н.Б. Бейсенханов и др. // Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2015. – № 4. – С. 81.

Control of stoichiometry, microstructure, and mechanical properties in SiC coatings produced by fluidized bed chemical vapor deposition / E. López-Honorato, P.J. Meadows, J. Tan, P. Xiao // Materials Research Society. – 2008, – V. 23. – P. 1785–1796.

Carbothermal synthesis of β-SiC powders from silicon and SiO2-coated carbon powders / Y. Hwang, D.-H. Riu, H.-J. Kang et al. // International Journal of Materials Research. – 2014. – Vol. 105(4). – P. 392–396.

High-temperature interaction between silicon and carbon / V.I. Gorovenko, V.A. Knyazik, A.S. Shteinberg // Ceramics International. – 1993. – Vol. 19(2). – P. 129–132.

Carbothermal synthesis of nanoparticulate silicon carbide in a self-contained protective atmos-phere / V.N. Anfilogov, A.S. Lebedev, V.M. Ryzhkov, I.A. Blinov // Inorganic Materials. – 2016. – Vol. 52(7). – P. 655–660.

Carbothermal synthesis of nanosized silicon carbide under an autonomous protective atmos-phere / V.N. Anfilogov, A.S. Lebedev, V.M. Ryzhkov // Doklady Chemistry. – 2015. – Vol. 460(1). – P. 10–12.

Пат. 2537616 Российская Федерация. МПК C01B 31/36. Способ карботермического син-теза дисперсных порошков карбида кремния / В.Н. Анфилогов, А.С. Лебедев. – 2013128735/05, заявл. 24.06.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. № 1.

FactSage Thermochemical Software and Databases / C.W. Bale, P. Chartrand, S.A. Degterov et al. // Calphad. – 2002. – Vol. 26(2). – P. 189–228.

FactSage thermochemical software and databases – recent developments / C.W. Bale, E. Bélisle, P. Chartrand et al. // Calphad. – 2009. – Vol. 33(2). – P. 295–311.

FactSage thermochemical software and databases, 2010–2016 / C.W. Bale, E. Bélisle, P. Chartrand et al. // Calphad. – 2016. – Vol. 54. – P. 35–53.

Kawanishi, S. Equilibrium Phase Relationship between SiC and a Liquid Phase in the Fe-Si-C System at 1523–1723 K / S. Kawanishi, T. Yoshikawa, T. Tanaka // Materials Transactions. – 2009. – Vol. 50(4). – P. 806–813.


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.