Самораспространяющийся высокотемпературный синтез нановолокон карбида кремния

Представлены результаты исследований по организации синтеза волокон карбида кремния в газовой фазе с использованием порошка кремния, энергетической добавки политетрафторэтилена (ПТФЭ) и порошка полиэтилена (ПЭ) методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Для экспериментов использовали смеси стехиометрического состава. Компоненты шихты смешивали в барабане объемом 3 л с шарами из карбида вольфрама в течение 30 мин. Масса шихты составляла 500 г. Опыты проводили в промышленном реакторе СВС-30. Горение шихты состава кремний + ПТФЭ сопровождалось быстрым ростом давления от 0,5 до 4,0 МПа за время менее 1 с и относительно быстрым падением давления до 1,5 МПа в течение 1,5 мин. Скорость горения превышала 50 см/с. Установлено, что при горении происходит разброс компонентов шихты, что является следствием высокой скорости процесса и интенсивного газовыделения. Получен ватоподобный материал светло-голубого цвета, который состоит из волокон карбида кремния толщиной 100-500 нм. При горении состава кремний + ПТФЭ + ПЭ максимальное давление в реакторе достигало 3,1 МПа в течение 1 с и снизилось до 1,5 МПа за 3 мин. Скорость горения составляла около 40 см/с. Весь объем оснастки был заполнен ватоподобным карбидом кремния серо-голубого цвета и порошком SiC с равноосной формой частиц размером 0,5-3,0 мкм, объединенных в конгломераты. В переходном слое между порошком и волокнами карбида кремния образовались иглоподобные кристаллы кремния. Результаты экспериментов показали возможность получения нановолокон карбида кремния в относительно больших количествах при горении экзотермических смесей.

1. Abderrazak H, Hmida E. Silicon earbide: Synthesis and properties. In: Properties and Applications of Silicon Carbide (Ed. by R. Gerhardt). Rijeka, Croatia: Publ. In Tech., 2011. Р. 361—388.

2. Fantozzi G., Reynaud P. Mechanical behavior of SiC fiber-reinforced ceramic matrix composites. Compr. Hard Mater. Ceram. 2014. No. 2. P. 345—366.

3. Young-Hang Koh, Hae-Won Kim, Hyoun-Ee Kim. Microstructural evolution and mechanical properties of Si3N4— SiC (nanoparticle)—Si3N4 (whisker) composites. J. Mater. Res. 2000. Vol.15. No. 2. P. 364—368.

4. Martynenko V.M., Borovinskaya I.P. Thermodynamic analysis of silicon carbide synthesis under a combustion regime. In: Proc. III All-Union Conf. on Technol. Combust. Chernogolovka: DICP AC USSR, 1978. P. 180—181.

5. Pampuch R., Stobierski L., Liz J., Raczka M. Solid combustion synthesis of β-SiC powder. Mater. Res. Bull. 1987. Vol. 22. P. 1225—1231.

6. Kharatyan S.L., Nersisyan H.H. Combution synthesis of silicon carbade unde oxidative activation conditions. Int. J. SHS. 1994. Vol. 3. No. 1. P. 17—25.

7. Мукасьян А.С., Мартыненко В.М., Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Блинов М.Ю. О механизме и закономерностях горения кремния в азоте. Физика горения и взрыва. 1986. No. 5. C. 43—49.

8. Мартыненко В.В. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез карбида кремния: Авто-реф. ... дис. канд. техн. наук. Черноголовка: ИХФ АН СССР, 1984.

9. Yamada O., Hirao K., Koizumi M., Miyamoto Y. Combustion synthesis of silicon carbide in nitrogen atmosphere. J. Amer. Ceram. Soc. 1989. Vol. 72. No. 9 1735—1738.

10. Agrafiotis Ch.C., Lis J., Puszynski J.A., Hlavacek V. Combustion synthesis of silicon carbide in nitrogen atmosphere. J . Amer. Ceram. Soc. Vol. 72. No. 9. P. 1735— 1738.

11. Kata D., Lis J., Pampuch R., Stobierski L. Preparation of fine powders in the Si—C—N system using SHS method. Int. J. SHS. 1998. Vol. 7. No. 4. Р. 475—487.

12. Нерсисян Г.А., Никогосов В.Н., Харатян С.Л., Мержанов А.Г. Химический механизм превращения и и режимы горения в системе кремний—углерод— фторопласт. Физика горения и взрыва. 1991. No. 6. С. 77—81.

13. Nersisyan H.H., Kharatyan S.L. Combustion of carbide systems under the conditions of chemical stimulation. Int. J. SHS. 1995. Vol. 4. No. 2. P. 159—170.

14. Huczko A., Osica M., Rutkowska A., Bystrzejewski M., Lan ge H, Cudzito S. A self-assembly SHS approach to form silicon carbide nanofibres. J. Phys.: Condens. Mater. 2007. Vol. 19. P. 1—10.

15. Danelska A., Gierlotka S., Stelmakh S., Soszynski M. Postsynthesis treatment of silicon carbide nanowires obtained in combustion synthesis Mater. Sci. Semicond. Process. 2016. Vol. 42. P. 326—333.

16. Real C., Alcal D., M. Criado J. Synthesis of silicon carbide of silica gel by means of the whiskers from carbothermal reduction constant rate thermal analysis (CRTA) method. Solid State Ionics. 1997. Vol. 95. P. 29—32.

17. Guangyi Yang, Renbing Wu, Jianjun Chen, Yi Pan, Rui Zhai, Lingling Wu, Jing Lin. Growth of SiC nanowires-nanorods using a Fe—Si solution method. Nanotechnology. 2007. Vol. 18. No. 155601.

18. Ahn H.S., Choi D.J. Fabrication of silicon carbide whiskers and whisker-containing composite coatings without using a metallic catalyst. Surf. Coat. Technol. 2002. Vol. 154. No. 2-3. P. 276—281.

19. Fu Q-G., Li H.J., Shi X.H., Li K.Z., Wei J., Hu Z.B. Synthesis of silicon carbide by CVD without using a metallic catalyst. Mater. Chem. Phys. 2006. Vol. 100. P. 108—111.

20. Salinas A., Altecor A., Lizcano M., Lozano K. Production of b-silicon carbide nanofibers using the forcespinning method. J. Ceram. Sci. Tech. 2016. 07 [03]. P. 229—234. DOI: 10.4416/JCST2016-00026 available online at: http://www.ceramic-science.com.

21. Zhengfang X., Jiaxi N., Zhaohui C. Synthesis and characterization of molybdenum-modified polycarbosilane for SiC(Mo) ceramics. J. Appl. Pol. Sci. 2012. Vol. 128. P. 1834—1841.

22. Patel N., Kawai R., Oya A. Preparation of silicon carbide nanofibers by use of polymer blend technique. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 691—693.

23. Fallahian S.R., Karamian E., Monsh A. SEM and TEM studies of в-SiC nano-whiskers microstructures produced at differenttemperatures. Ceram. Mater. 2011. Vol. 63. No. 2. P. 256—260.