способ получения карбида кремния

Формула изобретения

Способ получения карбида кремния, включающий высокотемпературный нагрев кремний- и углеродсодержащего сырья, отличающийся тем, что нагрев ведут в атмосфере азота при давлении 0,049÷0,13 МПа или в токе азота со скоростью 0,5÷3,3 л/ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства абразивных материалов и может быть использовано при получении карбида кремния.

Известен способ получения карбида кремния путем карботермического восстановления в соответствии с уравнением SiO₂+3C=SiC+2СО(-1120 кал). Процесс образования карбида кремния заключается во взаимодействии оксида кремния и углерода при температуре 2200-2300°С (И.С.Кайнарский, Э.В.Дегтерева "Карборундовые огнеупоры", Металлургиздат, 1963, стр.9-14).

Недостатками известного способа являются низкая чистота и невысокий выход конечного продукта, которые являются следствием следующих процессов: во-первых, образующийся в качестве промежуточного продукта в процессе карботермического восстановления монооксид кремния SiO не успевает полностью прореагировать и в значительных количествах уносится с печными газами, вызывая потери кремния и загрязняя окружающую среду; во-вторых, в интервале температур 1800-2000°С происходит разложение карбида кремния на кремний и углерод, что также увеличивает потери карбида кремния. Таким образом, получают технический карбид кремния, загрязненный примесями углерода, оксида кремния (кварц, кристалит и т.д.) с выходом 15-20%.

Известен способ получения карбида кремния путем электронагрева природной горной породы - шунгита, содержащего оксид кремния и углерод, при 1600-1800°С в вакуумной печи при остаточном давлении в ее рабочем пространстве 0,25-1,3 кПа (Патент РФ №2163563, МПК C 01 B 31/36, 2001 г.).

Недостатком способа является также невысокий выход конечного продукта (около 30%), который обусловлен тем, что в процессе нагрева шунгита при непрерывном удалении выделяющегося монооксида углерода из рабочего пространства печи вместе с ним удаляется и монооксид кремния, что неизбежно ведет к потерям по кремнию.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения карбида кремния, который бы обеспечивал высокий выход конечного продукта наряду с его высокой чистотой.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения карбида кремния, включающем высокотемпературный нагрев кремний- и углеродсодержащего сырья, в котором нагрев ведут в атмосфере азота при давлении 0,049-0,13М Па или токе азота со скоростью 0,5-3,3 л/час.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения карбида кремния, в котором высокотемпературный нагрев ведут в атмосфере или токе азота в заявляемых пределах давления или скорости, соответственно.

В предлагаемом способе в качестве исходного сырья могут быть использованы либо смесь кремнийсодержащего сырья и углерода, например смесь кварцевой породы и сажи или техногенные отходы, например смесь золы и углерода (сажи и т.п.), либо кремний-углеродсодержащее сырье, например шунгит. Ведение процесса в атмосфере или токе азота практически полностью исключает потери кремния за счет образования монооксида кремния, так как происходит образование азотсодержащих соединений кремния типа оксинитридов кремния (Si₂ON₂), которые являются нелетучими промежуточными продуктами взаимодействия оксида кремния и углерода в среде азота, что позволяет значительно снизить потери кремния. При этом ведение нагрева при давлении ниже, чем 0.049 МПа или скорости подачи азота меньше, чем 0,5 л/час, приводит к появлению промежуточных соединений кремния, которые в дальнейшем загрязняют конечный продукт. При этом ведение нагрева при давлении выше, чем 0,13 МПа или скорости подачи азота больше, чем 3,3 л/час, приводит к неоправданному перерасходу азота и электроэнергии, не улучшая рабочие характеристики конечного продукта.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Исходное сырье - смесь кремнийсодержащего сырья и углерода, например смесь кварцевой породы и сажи, или кремнийуглеродсодержащее сырье, например шунгит, тщательно перемешивают и загружают в нагревательный аппарат, например печь ТВВ-4 или проходную электропечь непрерывного действия, в который подают газообразный азот в количестве, необходимом для создания в рабочем пространстве печи давления, равного 0,049-0,13 МПа, или в случае, если печь проходная, со скоростью 0,5-3,3 л/час. Исходную смесь используют в насыпном виде или таблетированную и нагревают при температуре 1600-1900°С в течение 3-8 часов. Затем полученный продукт охлаждают и анализируют химическим и рентгенофазовым методами анализа.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут смесь следующего состава (вес.%): SiO₂ - 62,5; С (сажа) - 37,5. Смесь тщательно перемешивают и полученную порошковую смесь помещают в графито-трубчатую печь, в рабочее пространство которой подают азот для создания давления 0,049 МПа. Смесь нагревают при температуре 1600°С в течение 8 часов. Полученный продукт охлаждают. По данным химического и рентгенофазового анализов получают однофазный продукт: чистый карбид кремния SiC с параметрами решетки =0,4355 Hм. Примеси отсутствуют.

Пример 2. Берут смесь следующего состава (вес.%): SiO₂ - 62,5; С (сажа) - 37,5. Смесь тщательно перемешивают и полученную порошковую смесь помещают в графитотрубчатую печь, в рабочее пространство которой подают азот для создания давления 0,13 МПа. Смесь нагревают при температуре 1900°С в течение 3 часов. Полученный продукт охлаждают. По данным химического и рентгенофазового анализов получают однофазный продукт: чистый карбид кремния SiC с параметрами решетки =0,4354 Нм. Примеси отсутствуют.

Пример 3. Берут смесь следующего состава (вес.%): SiO₂ - 62,5; С (сажа) – 37,5. Смесь тщательно перемешивают и полученную порошковую смесь помещают в проходную печь, рабочее пространство которой продувают азотом со скоростью 0,5 л/час. Смесь нагревают при температуре 1600°С в течение 8 часов. Полученный продукт охлаждают. По данным химического и рентгенофазового анализов получают однофазный продукт: чистый карбид кремния SiC с параметрами решетки =0,4353 Нм. Примеси отсутствуют.

Пример 4. Берут смесь следующего состава (вес.%): SiO₂ - 62,5; С (сажа) - 37,5. Смесь тщательно перемешивают и полученную порошковую смесь помещают в проходную печь, рабочее пространство которой продувают азотом со скоростью 3,3 л/час. Смесь нагревают при температуре 1900°С в течение 3 часов. Полученный продукт охлаждают. По данным химического и рентгенофазового анализов получают однофазный продукт: чистый карбид кремния SiC с параметрами решетки =0,4354 Нм. Примеси отсутствуют.

Предлагаемый способ позволяет повысить выход карбида кремния. Так при нагреве исходной смеси при температуре 1600°С в атмосфере азота в соответствии с предлагаемым способом весовой процент соединений кремния составляет 39,75%, а при нагреве исходной смеси при температуре 1600°С в вакууме в соответствии с известным способом весовой процент соединений кремния составляет 20,83%. При нагреве исходной смеси при температуре 1700°С в атмосфере азота в соответствии с предлагаемым способом или вакууме в соответствии с известным способом весовой процент соединений кремния составляет 63,35 или 23,01, соответственно.

Таким образом, предлагаемый способ получения карбида кремния позволяет повысить чистоту и выход конечного продукта.