ЗАСТОСУВАННЯ МЕТАНУ ТА МІКРОКРЕМНЕЗЕМУ ДЛЯ СИНТЕЗУ КАРБІДУ КРЕМНІЮ

Анотація

Новим напрямком в технології синтезу карбіду кремнію, що відповідає вимогам ресурсозбереження, є застосування багатотонажних техногенних відходів. Високодисперсні порошки карбіду кремнію (SiC) синтезовано з використанням кремнійвмісної сировини — мікрокремнезему, що являє собою дрібнодисперсні техногенні відходи виробництва металургійного кремнію й феросиліцію, та вуглецевмісного відновника, що складається з природного газу (містить 94% метану CH₄) і дрібнодисперсних відходів нафтового коксу (С_pc(s)), що утворюються на стадії шихтування у виробництві кремнію або феросплавів. Синтез карбіду кремнію проводили в печі опору при поступовому підвищенні температури від 700 до 1900 °С. До печі було підключено спеціаль­ний розроблений нами пристрій, призначений для подачі частини вуглецевмісного відновника в газоподібному стані в реакційну зону печі. Конструкція цього пристрою дозволяла здійснювати дисоціацію метану на вуглець і водень на шляху подачі газу в піч опору. З метою визначення оптимальних умов синтезу та досягнення максимального виходу SiC проведено ряд експериментів з варіюванням долі метану у складі загального вуглецевмісного відновника. При збереженні загальної кількості вуглецевмісного відновника, необхідного за стехіометричним співвідношенням для відновлення кремнію вуглецем, частка метану збільшувалась від 0,15 до 0,60 від загальної кількості вуглецю, а частка нафтового коксу зменшувалась від 0,85 до 0,40 відповідно. Показано, що зменшення долі нафтового коксу до 40% за рахунок метану не знижує вихід та якість синтезованого карбіду кремнію. Аналіз хімічного складу синтезованих порошків показує, що вихід карбіду кремнію є досить високим і становить 69,2–72,8% (мас.), а максимальне значення досягається при СН₄(g) = 0,30 і С_pc(s) = 0,70. Масова частка інших домішок складає: вільний вуглець — 21,6–25,3%; кремній — 0,8–1,3%, домішки оксидів металів — 1,8–3,4%. За допомогою методу електронної мікроскопії встановлено, що розміри синтезованих частинок змінюються в досить широкому діапазоні — від декількох десятків нанометрів до декількох сотень мікрометрів. При цьому основна маса частинок має розміри менше 100 мкм. Одержані у такий спосіб мікро- та нанопорошки карбіду кремнію належать до політипів 4H, 6H та 3C, що підтверджується даними раманівської спектроскопії та рентгенофазового аналізу. Запропонований метод  синтезу карбіду кремнію дозволить зменшити собівартість виробництва та відкриває перспективи для керованої зміни властивостей даного продукту.