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

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

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия @vestnik-susu-chemistry

Статья в выпуске: 4 т.11, 2019 года.

Бесплатный доступ

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.

Еще

Карбид кремния, карботермический синтез, термодинамическое моделирование, состав фаз

Короткий адрес: https://sciup.org/147233149

IDR: 147233149 | DOI: 10.14529/chem190409

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

Roewer G., Herzog К., Trommer et al. [Silicon Carbide a Survey of Synthetic Approaches, Properties and Applications]. Structure and Bonding, 2002, vol. 101, pp. 59-135.
Efremenkova V.M., Sevastianov V.G. Informatsionnoe soprovozhdenie nauchnykh issledovanii po karbidu kremniia [Information Support of Research on Silicon Carbide]. NTI Ser 1 Org i Metodika Inform Raboty [Scientific and Technical Information. Series 1. Organization and Methodology of Information work], 2004, issue 9, p. 16.
Stephen E. Advances in Silicon Carbide Processing and Applications. Saddow Anant Agarwal Editors. Boston • London - Artech House, Inc. 2004.
Rastegaev V.P. [Obtaining Single Crystals of Semiconductor Silicon Carbide in Vacuum]. Perspektivnye materialy [Perspective Material], 2008, issue 2, pp. 43-48. (in Russ.)
Ratkin L.S. [New Developments of the Russian Academy of Sciences in the Field of Nanotechnology]. Nano- i mikrosistemnaia tekhnika [Nano-and Microsystem Technology], 2010, issue 4, pp. 2-4. (in Russ.)
Ageev О.A., Beliaev A.E., Boltovets N.S., Kiselev V.S., Konakova R.V. et al. Karbid kremniia tekhnologiia svoistva primenenie [Silicon Carbide: Technology, Properties, Application]. Kharkov, ISMA Publ., 2010, 532 p.
Mukherjee M. (ed.) Silicon Carbide. Materials, Processing and Applications in Electronic Devices. InTech. 2011. 558 p.
Kevorkijan V.M., Komak M., Kolar D. Low-Temperature Synthesis of Sinterable SiC Powders by Carbothermic Reduction of Colloidal SiО2. Journal of Materials Science, 1992, vol. 27, pp. 2705-2712.
Martin H.P., Ecke R., Muller E. Synthesis of Nanocrystalline Silicon Carbide Powder by Carbothermal Reduction. Journal of the European Ceramic Society, 1998, vol. 18, p. 1737.
Wesch W. Silicon Carbide: Synthesis and Processing. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 1996, vol. 116, p. 305.
Sevastyanov V.G., Simonenko E.P., Ezhov Yu.S., Kuznetsov N.T. Thermodynamic Analysis of the Production of Silicon Carbide Via Silicon Dioxide and Carbon. Material Science Forum, 2004, vol. 59, P. 457-460.
DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.457-460.59
Ju Z., Xu L., Pang Q., Xing Z., Ma X., Qian Y. The Synthesis of Nanostructured SiC from Waste Plastics and Silicon Powder. Nanotechnology, 2009, issue 2, pp. 20-55.
Oh S.M., Cappelli M., Park D.W. Preparation of Nano-Sized Silicon Carbide Powder Using Thermal Plasma. Korean J. Chem. Eng., 2002, vol. 19, pp. 903-907.
Krstic V.D. Production of Fine, High-Purity Beta Silicon Carbide Powders. Journal of the American Ceramic Society, 1992, vol. 75, pp. 170-174.
Sevastyanov V.G., Pavelko R.G., Kuznetsov N.T. [Effect of the Nature of Highly Dispersed Carbon Precursors on the Morphology of Silicon Carbide Nanoparticles]. Khimicheskaia tekhnologiia [Chemical technology], 2007, vol. 1, pp. 12-17. (in Russ.)
Kurbakov S.D., Mireev T.A. [Deposition of High-Density Silicon Carbide Coatings by Fluidized-Bed Pyrolysis of Chlorinated Silane Derivatives]. Khimiia tverdogo topliva [Solid fuel chemistry], 2009, vol. 43, issue 2, pp. 60-72. (in Russ.)
Babic B., Bucevac A.R.M., Dosen A. et al. New Manufacturing Process for Nanometric SiC. Journal of the European Ceramic Society, 2012, vol. 32, issue 9.
Wang L., Dimitrijev S., Han J., Iacopi F., Zou J. Transition between Amorphous and Crystalline Phases of SiC Deposited on Si Substrate using H3SiCH3. Journal of Crystal Growth, 2009, vol. 311, issue 19, pp. 4442-4446.
Orthnerz M.P., Rieth L.W., Solzbacher F. Design and Performance of an LPCVD Reactor for the Growth of 3C-Silicon Carbide. ECS - The Electrochemical Society, 2009, vol. 92, issue 6, pp. 1296-1302.
ElGazzar H., Abdel-Rahman Salem H.G., Nassar F. Preparation and Characterizations of Amorphous Nanostructured SiC Thin Films by Low Energy Pulsed Laser Deposition. Applied Surface Science, 2010, vol. 256, pp. 2056-2060.
Orlov L.K., Smyslova T.N., Ivina N.L., Steinman E.A., Tereshchenko A.N. [Features and Mechanisms of Growth of Cubic Silicon Carbide Films on Silicon]. Fizika tverdogo tela [Physics of the Solid State], 2012, vol. 54, issue 4, pp. 666-672. (in Russ.)
Beisembetov I.K., Nussupov K.Kh., Beisenkhanov N.B., Zharikov S.K., Kenzhaliev B.K., Akhmetov T.K., Seitov B.Zh. [Synthesis of SiC Thin Films on the Si Substrate by Ion-Beam Sputtering]. Povеrhnost'. Rеntgеnovskiе, sinhrotronnyе i nеjtronnyе isslеdovaniya [Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques], 2015, issue 4, p. 81. (in Russ.)
Lopez-Honorato E., Meadows P.J., Tan J., Xiao P. Control of Stoichiometry, Microstructure, and Mechanical Properties in SiC Coatings Produced by Fluidized Bed Chemical Vapor Deposition. Materials Research Society, 2008, vol. 23, pp. 1785-1796.
Hwang Y. Riu D.-H., Kang H.-J., An J.-H., Jung W.S., Chun D., Kim Y. Carbothermal Synthesis of β-SiC Powders from Silicon and SiO2-coated Carbon Powders. International Journal of Materials Research, 2014, vol. 105(4), pp. 392-396.
Gorovenko V.I., Knyazik V.A., Shteinberg A.S. High-Temperature Interaction between Silicon and Carbon. Ceramics International, 1993, vol. 19(2), pp. 129-132.
Anfilogov V.N., Lebedev A.S., Ryzhkov V.M., Blinov I.A. Carbothermal Synthesis of Nanoparticulate Silicon Carbide in a Self-contained Protective Atmosphere. Inorganic Materials, 2016, vol. 52(7), pp. 655-660.
Anfilogov V.N., Lebedev A.S., Ryzhkov V.M. Carbothermal Synthesis of Nanosized Silicon Carbide under an Autonomous Protective Atmosphere. Doklady Chemistry, 2015, vol. 460(1), pp. 10-12.
Anfilogov V.N., Lebedev A.S. Sposob karbotermicheskogo sinteza dispersnyh poroshkov karbida kremniya [Method for Carbothermic Synthesis of Dispersed Powders of Silicon Carbide]. Patent RF no. 2537616, 2015.
Bale C.W., Chartrand P., Degterov S.A., Eriksson G., Hack K., Mahfoud R. Ben, Melançon J., Pelton A.D., Petersen S. FactSage Thermochemical Software and Databases. Calphad, 2002, vol. 26(2), pp. 189-228.
Bale C.W., Belisle E., Chartrand P., Decterov S.A., Eriksson G., Hack K., Jung I.-H., Kang Y.B., Melançon J., Pelton A.D., Robelin C., Petersen S. FactSage Thermochemical Software and Databases - Recent Developments. Calphad, 2009, vol. 33(2), pp. 295-311.
Bale C.W., Bélisle E., Chartrand P., Decterov S.A., Eriksson G., Gheribi A.E., Hack K., Jung I.-H., Kang Y.-B., Melançon J., Pelton A.D., Petersen S., Robelin C., Sangster J., Spencer P., Van Ende M.-A. FactSage Thermochemical Software and Databases, 2010-2016. Calphad, 2016, vol. 54, pp. 35-53.
Kawanishi S., Yoshikawa T., Tanaka T. Equilibrium Phase Relationship between SiC and a Liquid Phase in the Fe-Si-C System at 1523-1723 K. Materials Transactions, 2009, vol. 50(4), pp. 806-813.

Еще

Статья научная