Исследование тонкодисперсных порошков карбида кремния

УДК 666.792.32

М.В. Кириллова, А. И. Захаров

Российский химико-технологический университет им. Д, И. Менделеева, г. Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Работа посвящена исследованию тонкодисперсных порошков карбида кремния российского и зарубежного производства с целью выбора наиболее чистого от примесей. Для этого была разработана методика очистки порошков карбида кремния от примесей С и Fe, и проведена методика по определению количества Si02, содержащегося в порошке.

Work is devoted to the investigation powder silicon carbide Russian production and foreign production in order to select the most pure of chemical contaminants. Method for cleaning powder of silicon carbide from contaminants C and Fe has been received and also the method of definition quantitative SiO2 ,contained in the powder, of silicon carbide has been provided.

Уникальные свойства карбида кремния сделали его незаменимым материалом, нашедшим применение в различных областях и отраслях промышленности.

К основным свойствам карбида кремния относят:

- стойкость к износу, термическому и химическому воздействию

- очень высокая степень твердости при низкой плотности

- высокая теплопроводность и стойкость к коррозии

В настоящее время область применения карбида кремния включает самые передовые направления науки и техники: композиционные

материалы, топливные элементы, авиа- и ракетостроение, атомная промышленность, электроника и полупроводниковая техника.

Получение плотной керамики из карбида кремния осложняется преимущественной долей ковалентной химической связи этого соединения, что приводит к небольшой скорости диффузионного массопереноса, затрудняющей твердофазное спекание. Спекание карбида кремния до беспористого состояния требует применения дисперсных частиц < 1мкм активирующих добавок и специальных методов обжига.

Керамические изделия на основе SiC сохраняют прочность при температуре эксплуатации свыше 1000 оС при плотности в 2,5 раза меньше плотности стали и доступности сырья. Однако, известно, что при хранении на воздухе происходит постепенное окисление поверхности частиц карбида кремния. Образующиеся слои аморфного диоксида кремния (SiO2) резко снижают прочность керамики в области высоких температур. На дисперсных частицах доля поверхностных оксидных слоев резко возрастает, что ограничивает массовое содержание SiO2 1-4 %.

Для получения высококачественной конструкционной керамики рекомендуется использовать чистые, гомогенные порошки SiC тонкодисперсного монофракционного состава с равноосной формой частиц, обладающих одинаковой активностью к спеканию.

Целью данной работы является исследование порошков карбида кремния различных производителей, а также разработка методики очистке порошков карбида кремния от примесей.

В качестве исходных порошков были взяты и исследованы порошки зеленого карбида кремния следующих производителей: Волжского

абразивного завода, ПАО «ЗАПОРЖАБРАЗИВ, фирмы Weifang Feng Yuan Ceramic Co., Ltd., Китай.

Таблица І. - Рписание микроструктуры исследуемых порошков

Название Химический состав Размер частиц в мкм и габитус Присутствующие политипы БіС,

Порошок зеленого карбида кремния производства ПАО «ЗАПОРЖАБРАЗИВ 1. БЮ - Не менее -99,0% 2. Бе - Не более 0,3% 3. С - Не более 0,2 % 4. АЬОз- Не более 0,2% Средний размер зерен 3 мкм, Ограненная форма а- БіС, 6Н -форма гексагональная (преобладает) и политип 15Я.

Порошок карбида кремния производства ОАО «Волжского абразивного завода» 1. БЮ - Не менее -95,0% 2. Бе - Не более 1,8% 3. С - Не более 3% 4. АЬОз- Не более 0,2% Размер частиц до 5 мкм, форма чашуйчатая кристаллическая 6НС-форма а-БіС

Порошок зеленого карбида кремния марки Б-500 1. БЮ - Не менее -97,5% 2.Бе - Не более 0,4% 3.С - Не более 0,3 % средний размер зерен 10 мкм, форма округлая 3С-форма кубическая Р-БіС

Из описанных микростуктур порошков видно, что избыточное количество примесей содержится в порошке карбида кремния производства ОАО «Волжского абразивного завода». Поэтому была разработана и проведена методика очистки этого порошка от примесей углерода и железа.

Согласно методике, фракции порошка с зерном с размером менее 1 мкм и 3-5 мкм нагревали в силитовой печи до максимальной температуры 750 оС, затем травили в концентрированной соляной кислоте и промывали дистилированной водой, после чего высушивали при 1100С.

По результатам первого петрографического анализа очищаемого порошка карбида кремния оказалось, что основными кристаллическими фазами были ЗС-форма кубическая b-SiC и 6НС-форма а-SiC с большим количеством различных политипов. Примесей Fe^3 и FeO обнаружили 1,5 об. %, чашуйчатого графита - 1-0,8 об. %

Было принято решение проводить термообработку при 800 оС в течение 2,5 часов с последующим травлением соляной кислотой. По результатам второго петрографического анализа установили, что в порошке не оказалось примесей графита и железа. Микроструктуру порошка составляли политипы: ЗС-политип SiC b-модификация кубической сингонии и 6HC-политип а-модификация SiC с примерным содержанием 10 об. %, оставшийся объем порошка представляли различные политипы SiC.

Для определения количественного содержания диоксида кремния в исследуемых порошках была воспроизведена методика, изложенная в работе [1] . Удаление оксидной пленки проводили при помощи обработки порошка 3

% раствором фтористоводородной кислоты с последующей отмывкой дистиллированной, затем этиловым спиртом и сушкой в вакуумном шкафу при 20 оС. Поскольку в настоящей работе исследовали высокодисперсный БЮ, использовать физические методы для определения содержания диоксида кремния не представлялось возможным. Поэтому для этой цели был выбран метод, позволяющий количественно определять содержание диоксида кремния. Для чего навеску карбида кремния выдерживали на воздухе с относительной влажностью 70% при 18 оС в течение заданного времени. Затем навеску окисленного БЮ обрабатывали в течение одного часа раствором фторида аммония и соляной кислоты. При этом происходило образование кремнефтористоводородной кислоты. Затем раствор охлаждали до - 5 оС и вводили в него навеску хлорида бария и фторида аммония. Титрование проводили при помощи лабораторного рН-метра pH-121 в комплексе с блоком автоматического титрования БАТ - 15. Таким же образом проводили титрование холостой пробы. Содержание диоксида кремния рассчитывали по уравнению С8ю2=(Ухол-Ут)Скон./4тяС; где Ух - объем щелочи, пошедшей на титрование; Скон - концентрация щелочи; т^С _ масса навески порошка БЮ; Ухол- объем щелочи, пошедшей на холостое титрование.

Полученные результаты определения содержания диоксида кремния сведены в таблицу 2.

Табл. 2. Результаты определения диоксида кремния в исследуемых порошках SiC

Образец карбида кремния Найдено SiO2 потенциометрически

Порошок карбида кремния производства ОАО «Волжского абразивного завода» 0,6

Порошок зеленого карбида кремния производства ПАО «ЗАПОРЖАБРАЗИВ» 0,35

Порошок зеленого карбида кремния марки Б-500 1,9

Таким образом, наиболее чистым порошком карбида кремния оказался порошок зеленого карбида кремния производства ПАО «ЗАПОРЖАБРАЗИВ не только по содержанию примесей углерода и железа, но и по содержанию аморфного диоксида кремния. Так же была проведена методика по устранению избыточного количества этих примесей в сильнозагрязненном порошке карбида кремния. Было установлено, что эта методика позволяет довести уровень примесей С и Бе до полного отсутствия. Так же определяли количество диоксида кремния в исходных порошках и после очистки.

Библиографические ссылки 1. Ленк Р., Кривощепов А.Ф., Фролов Ю.Г. // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б.Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1990, т. VIII, №6 (453) с. 394