The paper presents results of experimental studies on the plasmodynamic synthesis of ultradispersed silicon carbide. The product was investigated by X-ray diffractometry. It was shown that management of main product characteristics (content of SiC, dispersion) is possible by the change of the input energy

Никитин, Дмитрий Сергеевич

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

 198  Таким образом, в работе при температуре 900°С получили однофазный алю-минат кальция Сa3Al2O6 кубической модификации. Увеличение температуры приво-дит к росту размера частиц и степени их сформированности. Фазовых переходов и образование примесных фаз при этом не наблюдается.    О ВЛИЯНИИ ЭНЕРГИИ ПЛАЗМЫ НА ПРОДУКТ ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА В СИСТЕМЕ SI-C Д.С. НИКИТИН Национальный исследовательский Томский политехнический университет E-mail: dima_n@sibmail.com ON THE INFLUENCE OF THE PLASMA ENERGY ON THE PRODUCT OF PLASMODYNAMIC SYNTHESIS IN THE SI-C SYSTEM D.S. NIKITIN National Research Tomsk Polytechnic University E-mail: dima_n@sibmail.com  Annotation. The paper presents results of experimental studies on the plasmodynamic synthesis of ultradispersed silicon carbide. The product was investigated by X-ray diffractometry. It was shown that management of main product characteristics (content of SiC, dispersion) is possible by the change of the input energy.  Введение. Карбид кремния является единственным стабильным соединением в системе Si-C. Этот материал имеет совокупность различных физических и химиче-ских свойств, таких как высокая твердость и механическая прочность, низкая плот-ность, отличная термическая и радиационная устойчивость, высокая теплопровод-ность [1]. Так керамика из карбида кремния является одним из наиболее важных не-оксидных керамических материалов и привлекательным материалом для широкого круга промышленных применений. SiC является широкозонным полупроводником и применяется для создания электронных систем для применения в жестких средах [2]. Наноматериалы, как известно, обладают уникальными и более высокими свой-ствами, чем обычные материалы. Различные наноструктуры из карбида кремния широко используются в качестве армирующей фракции, для создания нанострукту-рированной керамики, микро- и наноэлектромеханических систем (MEMS и NEMS) [3]. Существует множество успешных попыток синтезировать нанопорошок кар-бида кремния, в том числе путем карботермического, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, методом микроволнового и лазерного нагревания золь-гель способа [4]. Вышеуказанные способы синтеза обладают такими недостат-ками, как высокая себестоимость, высокие расход энергии и время синтеза при ма-лых объемах продукции. Поиск простого и дешевого способа синтеза карбида крем-ния является актуальной задачей. Плазмодинамических метод синтеза нанопорошков основан на химической реакции соединения кремния и углерода в гиперзвуковой струе электроразрядной плазмы. Плазменная струя генерируется сильноточным импульсным коаксиальным магнитоплазменным ускорителем (КМПУ). Настоящая статья посвящена исследова-нию влияния уровня энергии на характеристики продукта. Секция 3. Перспективные материалы и технологии  ________________________________________________________________________  199   Экспериментальная часть. Конструкция используемой экспериментальной установки приведена на рисунке 1. Установка состоит из КМПУ, емкостного нако-пителя энергии и рабочей камеры-реактора. КМПУ включает центральный электрод с графитовой вставкой и изолятором и ускорительным графитовым каналом. Смесь аморфной сажи и микронного кристаллического порошка кремния с соотношением Si:C 3:1 была использована в качестве прекурсоров. Масса смеси составляла ~1.0 г. Прекурсоры помещались в канал формирования плазменной структуры ускоритель-ного канала. Si-C смесь также исполняла роль инициатора дугового разряда между центральным электродом и графитовым ускорительным каналом после замыкания цепи. Электропитание КМПУ осуществлялось от емкостного накопителя энергии с емкостью С = 6 мФ. Накопленная энергия изменялась путем изменения зарядного напряжения Uc от 2,0 кВ до 3,5 кВ. Были проведены четыре эксперимента с различ-ными напряжениями, а следовательно и значениями выделившейся энергии: 10,5 кДж, 13 кДж, 19 кДж, 29,7 кДж.   Рисунок 1 - Принципиальная схема коаксиального магнитоплазменного ускорителя  Плазменные выстрелы были произведены в запечатанный объем цилиндриче-ского реактора камере, заполненной аргоном при нормальном давлении и комнатной температуре. Плазменная струя воздействовала на медный барьер, установленный на расстоянии 23 мм от ускорительного канала. Синтезированный порошкообразный продукт собирали со стенок камеры-реактора после полного осаждения взвешенных частиц. Синтезированные в процессе экспериментов порошкообразные продукты бы-ли проанализированы без предварительной подготовки с помощью современных ме-тодик: рентгеновской дифрактометрии (XRD) с использованием дифрактометра Shimadzu XRD 6000 (CuKα-излучение, λ = 0,15406 нм). Количественный рентгенов-ский анализ осуществлялся с помощью программного пакета PowderCell 2.4 с ис-пользованием базы данных PDF4+. Результаты и обсуждение. Результаты рентгеновских исследований синте-зированных порошков представлены в виде рентгеновских дифрактограмм на ри-сунке 2. Результаты структурного и фазового анализа приведены в таблице 1. Ха- 200  рактер дифрактограмм и совокупность различных когерентных рефлексов показыва-ет практическое отсутствие аморфной фракции в продукте синтеза и демонстрирует наличие нескольких кристаллических фаз во всех случаях. По результатам компью-терных расчетов с помощью программного пакета PowderCell 2.4 порошковый про-дукт плазмодинамического синтеза во всех случаях состоит из четырех кристалли-ческих фаз со следующими параметрами кристаллографических структурных моде-лей: кубический карбид кремния β-SiC, пространственная группа SPGR-F-43м {216}; кубический кремния cSi, SPGR - F-43/D-32 /m {227}; графит gC, SPGR - P6-3mc {186}. Наиболее интенсивные пики принадлежат соответствующим плоскостям (111), (200), (220), (311), (222) кубического карбида кремния. Результаты комплекс-ного анализа рентгеновских дифрактограмм синтезированных продуктов (в том чис-ле фазовое содержание и ОКР) представлены в таблице 2. В соответствии с расчетными данными рентгенофазового анализа фаза куби-ческого карбида кремния имеет самое высокое содержание в продукте. Более эф-фективное формирование карбида кремния SiC наблюдается при более высоких зна-чениях энергии разряда W. Содержание углерода не уменьшается в диапазоне энер-гии разряда от W = 13,5 Вт до W = 29,7 кДж за счет увеличения электроэрозии гра-фитового ствола. Возрастание размеров частиц SiC наблюдается с увеличением энергии во всем диапазоне. Увеличение содержания и размеров частиц карбида кремния может быть объяснено более полной ионизацией прекурсоров в результате более высоких параметров давления и температуры (pT-параметров).   Рисунок 2 -  Дифрактограммы синтезированных порошков  Таблица 2 – Результаты рентгенофазового анализа порошкообразных продуктов синтеза Фаза  W [kJ]  SiC Si C 1. 10,5 Содержание [%] 60,0 24,0 16,0 ОКР [nm] 35 20 10 2. 13,0 Содержание [%] 73,0 19,0 8,0 ОКР [nm] 70 80 20 3. 19,0 Содержание [%] 80,0 13,0 7,0 ОКР [nm] 75 65 35 4. 29,7 Содержание [%] 90,0 3,5 6,5 ОКР [nm] 90 40 20 Секция 3. Перспективные материалы и технологии  ________________________________________________________________________  201   Заключение. Нанопорошки карбида кремния (SiC) были получены методом плазмодинамического синтеза. Этот метод был реализован путем синтеза в электро-разрядной плазменной струе, генерируемой сильноточным импульсным коаксиаль-ным магнитоплазменным ускорителем. Были проведены четыре эксперимента с раз-личными энергетическими параметрами (с 10,0 до 30,0 кДж). Синтезированные про-дукты анализировали с помощью рентгеновской дифрактометрии. По результатам анализов все продукты в основном состоит из фазы кубического карбида кремния (β-SiC) и небольшого количества непрореагировавших прекурсоров. Сравнение ре-зультатов экспериментов с различными уровнями энергетики позволило сделать вы-воды о способах управления фазовым составом и дисперсностью продукта. Содер-жание карбида кремния и размеры частиц увеличиваются с увеличением уровня энергии. Список литературы 1. Harris G. L. Properties of Silicon Carbide. London: NSPEC. – 1995. – 282 p. 2. Gerhardt R. Properties and Applications of Silicon Carbide. Rijeka: InTech. – 2011. – 546 p. 3. Wang Z., Shi X. High Temperature Silicon Carbide MOSFET Power Module With Integrated Silicon-On-Insulator-Based Gate Drive // IEEE T. Power Electr. V. 30 (3). – 2015. – P. 1432-1445. 4. Wu R., Zhou K. Recent progress in synthesis, properties and potential applications of SiC nanomaterials // Prog. Mater Sci. – 2015. – V. 72. – P. 1-60.     ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕНОГО СПЕКАНИЯ ДЛЯ КОНСОЛИДАЦИИ ТУГОПЛАВКИХ ОКСИДОВ И НИТРИДОВ С.В. МАТРЕНИН, Б.Б. ОВЕЧКИН, Р.В. ТАЮКИН Национальный исследовательский Томский политехнический университет E-mail: msv@tpu.ru, ovechkinb@tpu.ru, Romanone93@mail.ru  AN APPLICATION OF SPARK PLASMA SINTERING FOR COMPACTION OF REFRACTORY OXIDES AND NITRIDES S.V. MATRENINA, B.B. OVECHKINB AND R.V. TAYUKINC National Research Tomsk Polytechnic University, E-mail: amsv@tpu.ru, bovechkinb@tpu.ru, cRomanone93@mail.ru  Abstract. The results of investigation of physical and mechanical properties of ceramic materials manufactured by compaction of alumina, zirconia, and aluminum oxynitride powders using spark plasma sintering (SPS) are presented. It is found out that the ceramics thus produced exhibit improved density and microhardness compared to the materials sintered at high temperature in a resistance furnace. Keywords: Spark plasma sintering, aluminum oxynitride, ultra-fine powders  Введение. В настоящее время эффективным методом консолидации по-рошковых материалов принято считать искровое плазменное спекание (ИПС, англ. Spark Plasma Sintering (SPS)) [1-4]. 

О влиянии энергии плазмы на продукт плазмодинамического синтеза в системе Si-C

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University