способ получения порошка карбида кремния из рисовой шелухи

Формула изобретения

1. Способ получения порошка карбида кремния из рисовой шелухи, включающий ее обработку раствором кислоты, термообработку и последующую термообработку полученного порошка, отличающийся тем, что термообработку рисовой шелухи ведут в графитовом тигле в фокусе Большой Солнечной Печи световым потоком мощностью 600 Вт/см² в течение 0,1 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что последующую термообработку полученного порошка проводят при 700°С не менее 2 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения порошка карбида кремния, используемого в абразивной, керамической и электротехнической промышленности.

В известном способе (Патент США №5128115, кл. С01В 31/36, 1992) для получения карбида кремния смешивают тонко измельченные кремний и углерод. Полученную смесь помещают в зону термической реакции, обогреваемую с помощью солнечной энергии при мощности потока 160-190 Вт/см² . Зона имеет графитовую оболочку вокруг реакционного пространства, снабженную кварцевым окном. Через это окно на помещенную в реакционное пространство смесь направляют сфокусированный солнечный свет. Смесь выдерживают в течение времени (около 10 мин), достаточного для взаимодействия кремния и углерода с образованием карбида кремния.

К недостатку указанного способа, создающему техническую сложность и дороговизну, относится использование в качестве исходных реагентов тонко измельченных кремния и углерода.

Наиболее близким по составу и технической сущности является способ (пат. США №4591492, кл. С01В 31/36, 1986), согласно которому обработанную в кислоте рисовую шелуху помещают в электрическую печь с тремя температурными зонами и в атмосфере аргона проводят трехступенчатую термообработку. Последующую термообработку с целью декарбонизации ведут при 900°С. Процесс занимает длительное время, порядка 24 часов.

Недостатком указанного способа является использование специальной трехзональной печи с инертной аргонной атмосферой, длительность процесса синтеза и более высокая температура последующей термообработки, что создает дополнительные технические характеристики и удорожает продукцию.

Задачей изобретения является повышение экономичности и упрощение технологии процесса получения порошка карбида кремния из рисовой шелухи, повышение степени чистоты продукта.

Решение задачи достигается получением карбида в фокусе Большой Солнечной Печи (БСП) при мощности светового потока 600 Вт/см² в графитовом тигле.

Согласно данным химического анализа шелуха риса содержит в своем составе наряду с углеродом до 22% двуокиси кремния, т.е. является естественной смесью SiO₂+С.

Термообработку рисовой шелухи ведут в фокусе БСП в графитовом тигле на специальном стенде с вращающимся столиком, на который устанавливался графитовый тигель с шелухой.

При этом обеспечивалось получение световых потоков требуемой формы с энергетической освещенностью до 700 Вт/см². Ввод световых потоков на мишень осуществлялся за короткий промежуток времени, что составляло не более 1 с. Облучение мишени проводилось в течение 0,1 часа.

Вращение столика с тиглем позволило достигать равномерного нагревания графитового тигля. Такие условия позволили контролировать термодинамические параметры твердофазного синтеза - температуру, соотношение содержания компонентов SiO₂ /C. Для реакции карбидообразования стехиометрическое отношение SiO₂/C равно 1,67, однако оптимальное соотношение для получения карбида кремния из рисовой шелухи составляет примерно 1,37, которое можно достичь при скорости нагрева не менее 1000°С/мин, чему соответствует мощность светового потока 600 Вт/см ². Медленный нагрев может привести даже к полной десорбции углерода, а более быстрый нагрев приводит к избыточному его содержанию.

Рентгенофазовый анализ показал, что материал, полученный после обжига в потоке концентрированного солнечного излучения рисовой шелухи, содержит в своем составе две фазы - карбида кремния -SiC объемно-центрированной кубической сингонии и двуокись кремния SiO₂ в кристобалитной модификации.

Согласно экспериментальным данным предварительная кислотная обработка приводит к увеличению выхода карбида кремния.

Создание необходимого давления углерода, т.е. реакционной среды вокруг частиц двуокиси кремния, приводит к реакции SiO ₂+C=SiC. Такие условия можно создавать в закрытых графитовых тиглях, которые позволили реализовать процесс карбидизации по указанной химической реакции.

В случае синтеза при мощностях потока <600 Вт/см² процесс карбидообразования идет не до конца и продукт загрязняется углеродом и двуокисью кремния (кристобалит).

В случае синтеза при мощностях потока >600 Вт/см² процесс протекает наиболее полно, но при этом имеет место образование карбида кремния -SiC гексагональной сингонии, а также стеклофазы вследствие плавления остаточного диоксида кремния.

В случае выдержки <0,1 часа процесс получения карбида идет не до конца, а выдержка >0,1 часа приводит к образованию стеклофазы вследствие плавления остаточного диоксида кремния, а также к повышению энергозатрат.

С целью удаления остаточного углерода - декарбонизации проводят последующую обработку при температуре 700°С в течение не менее двух часов.

Пример

Очищенная от крупных (солома, стебли) и мелких включений (пыль, посторонние примеси размером менее 2 мм), промытая в воде, и 10%-ном растворе кислоты высушенная при 150°С рисовая шелуха в количестве 5 кг помещается в графитовый тигель, который устанавливается в фокус Большой Солнечной Печи и облучается концентрированным потоком солнечных лучей мощностью 600 Вт/см². Облучение проводится в течение 0,1 часа. Получают порошки темного цвета с частицами в виде соломок в количестве 1 кг. Для удаления остаточного углерода - декарбонизации проводится последующая термическая обработка при температуре 700°С в течение не менее двух часов. После такой обработки получают порошкообразный материал зеленого цвета в количестве 750 г. Химический и рентгенофазовый анализ показали, что материал состоит из 88% -SiC объемно-центрированной кубической сингонии и 9% двуокиси кремния SiO₂ в кристобалитной модификации. Дисперсность порошкового материала составляет порядка 0,2-1,0 мкм.

Процесс получения карбида кремния является более экономичным по сравнению с известным в связи сокращением длительности процесса, понижением температуры термообработки, т.е. в целом со снижением энергозатрат.

Технологический процесс также упрощается, поскольку исходные реагенты образуются непосредственно в ходе облучения солнечной энергией предварительно обработанной кислотой рисовой шелухи, без применения специальных печей с аргонной атмосферой.

Высокая концентрация экологически чистой лучистой энергии в БСП позволяет получить значительно больший выход карбида кремния в конечном продукте, т.е. степень чистоты возрастает.