Помощь студентам в учебе
ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО КАРБИДА КРЕМНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. КАРБИД КРЕМНИЯ: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ, СИНТЕЗ 10
1.1. Строение и структура карбида кремния 10
1.2. Свойства и применение карбида кремния 13
1.3. Методы синтеза карбида кремния 18
1.3.1 История методов синтеза и исследований карбида кремния 18
1.3.2 Метод Ачесона 19
1.3.3 Метод Лели и ЛЭТИ 21
1.3.4 Высокотемпературный синтез 22
1.3.5 Плазмохимический синтез 26
1.3.6 CVD 27
1.3.7 Золь-гель метод 29
1.4. Результаты обзора литературы по способам синтеза SiC 31
2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И
АНАЛИТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 32
2.1. Экспериментальный стенд на основе емкостного накопителя энергии 32
2.2. Методика проведения экспериментов по плазмодинамическому синтезу на
основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя 37
2.3. Методики проведения аналитических исследований порошкообразного
продукта 44
2.4. Методика получения керамических образцов с помощью метода искрового
плазменного спекания 45
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ИНИЦИИРОВАНИЯ ДУГОВОГО
РАЗРЯДА НА ПРОЦЕСС И ПРОДУКТ ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА 48
3.1 Принципиальная возможность получения карбида кремния в
гиперскоростной плазменной струе 48
3.2. Использование разных способов инициирования плазменного потока и их влияние на синтезируемый продукт 60
3.3. Влияние начального сопротивления разрушаемой углеродной перемычки на
процесс и продукт плазмодинамического синтеза 69
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ФАЗОВЫЙ И ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПРОДУКТА
ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА 80
4.1. Влияние соотношения закладываемых в канал формирования плазменной
структуры прекурсоров 80
4.2. Влияние энергетических параметров электрического импульса при
истечении плазменной струи в свободное пространство 88
4.3. Влияние энергетических параметров электрического импульса на фазовый и
гранулометрический состав при воздействии плазменной струи на медную преграду 95
4.4. Влияние давления газообразной атмосферы камеры-реактора на продукт
плазмодинамического синтеза 105
4.5. Влияние температуры газообразной атмосферы камеры-реактора на продукт плазмодинамического синтеза и исследование его полупроводниковых свойств 115
5. ПОЛУЧЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕННОГО
СПЕКАНИЯ 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 137
ПРИЛОЖЕНИЯ 154
1. КАРБИД КРЕМНИЯ: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ, СИНТЕЗ 10
1.1. Строение и структура карбида кремния 10
1.2. Свойства и применение карбида кремния 13
1.3. Методы синтеза карбида кремния 18
1.3.1 История методов синтеза и исследований карбида кремния 18
1.3.2 Метод Ачесона 19
1.3.3 Метод Лели и ЛЭТИ 21
1.3.4 Высокотемпературный синтез 22
1.3.5 Плазмохимический синтез 26
1.3.6 CVD 27
1.3.7 Золь-гель метод 29
1.4. Результаты обзора литературы по способам синтеза SiC 31
2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И
АНАЛИТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 32
2.1. Экспериментальный стенд на основе емкостного накопителя энергии 32
2.2. Методика проведения экспериментов по плазмодинамическому синтезу на
основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя 37
2.3. Методики проведения аналитических исследований порошкообразного
продукта 44
2.4. Методика получения керамических образцов с помощью метода искрового
плазменного спекания 45
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ИНИЦИИРОВАНИЯ ДУГОВОГО
РАЗРЯДА НА ПРОЦЕСС И ПРОДУКТ ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА 48
3.1 Принципиальная возможность получения карбида кремния в
гиперскоростной плазменной струе 48
3.2. Использование разных способов инициирования плазменного потока и их влияние на синтезируемый продукт 60
3.3. Влияние начального сопротивления разрушаемой углеродной перемычки на
процесс и продукт плазмодинамического синтеза 69
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ФАЗОВЫЙ И ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПРОДУКТА
ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА 80
4.1. Влияние соотношения закладываемых в канал формирования плазменной
структуры прекурсоров 80
4.2. Влияние энергетических параметров электрического импульса при
истечении плазменной струи в свободное пространство 88
4.3. Влияние энергетических параметров электрического импульса на фазовый и
гранулометрический состав при воздействии плазменной струи на медную преграду 95
4.4. Влияние давления газообразной атмосферы камеры-реактора на продукт
плазмодинамического синтеза 105
4.5. Влияние температуры газообразной атмосферы камеры-реактора на продукт плазмодинамического синтеза и исследование его полупроводниковых свойств 115
5. ПОЛУЧЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕННОГО
СПЕКАНИЯ 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 137
ПРИЛОЖЕНИЯ 154
Актуальность работы. Керамика из карбида кремния SiC уже несколько последних десятилетий активно используется в различных отраслях промышленности: химической промышленности, двигателестроении,
машиностроении, металлургии, ядерной энергетике и других областях. Такая широкая применимость карбида кремния обусловлена совокупностью уникальных физических характеристик, таких как высокая твердость (~30 ГПа), высокая термостойкость (на воздухе до температур ~1700 °C, низкий коэффициент теплового расширения - 4,0-10-6 К-1), стойкость к химически агрессивным средам и к радиационному излучению (до 1016 нейтронов/см2). Наличие таких свойств обеспечивает работу изделий на основе SiC в жестких средах. Кроме того, карбид кремния является материалом с выдающимися полупроводниковыми свойствами (ширина запрещенной зоны ~3 эВ, высокая пробивная напряженность 4,0 МВ/см), что позволяет использовать его для изготовления устройств силовой электроники, в том числе для эксплуатации в экстремальных условиях.
Особую важность имеет проблема синтеза ультрадисперсного карбида кремния, поскольку материалы в диспергированном состоянии могут демонстрировать уникальные сочетания свойств [1]. Известно, что наноразмерные частицы SiC используются для создания наноструктурированной керамики и в качестве армирующего материала для повышения износостойкости, твердости, прочности, вязкости разрушения и уменьшения трения. Таким образом, использование ультрадисперсного карбида кремния позволяет дополнительно улучшить свойства изделий на его основе. Отсюда следует актуальность проблемы синтеза ультрадисперсного карбида кремния и получения на его основе наноструктурированной керамики. Наноразмерный SiC возможно синтезировать посредством нескольких методов (самораспространяющийся высокотемпературный синтез, плазмохимические методы, золь-гель метод и др.). Однако все эти процессы имеют свои недостатки: небольшие объемы синтезированного продукта, наличие примесей, многоступенчатость процессов, высокая стоимость оборудования и прекурсоров и т. д.
Согласно фазовой диаграмме, карбид кремния может быть синтезирован при температуре более 2545±40 °C из жидкой фазы. Достижение таких температур осуществимо в низкотемпературной плазме. Одним из наиболее эффективных способов реализации экстремальных энергетических параметров, необходимых для соединения атомов кремния и углерода, представляется прямой плазмодинамический синтез (ПДС) в гиперскоростной струе кремний-углеродной электроразрядной плазмы. Генерация плазменного потока осуществляется посредством импульсного сильноточного коаксиального магнитоплазменного ускорителя (КМПУ) с графитовыми электродами [2].
Цель работы: разработка научно-технических основ синтеза ультрадисперсного карбида кремния в гиперскоростной струе кремнийуглеродной электроразрядной плазмы.
Для достижения указанной цели выполнялись задачи:
1. Анализ проблемы синтеза ультрадисперсного карбида кремния по современным литературным данным.
2. Разработка метода плазмодинамического синтеза на основе импульсного высоковольтного коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами для генерации импульсных сверхзвуковых струй кремнийуглеродной электроразрядной плазмы.
3. Исследование влияния условий инициирования дугового разряда в ускорительном канале и энергетических параметров импульсного электропитания ускорителя на процесс плазмодинамического синтеза и характеристики дисперсного продукта.
4. Исследование влияния параметров состояния внешней газообразной среды на фазовый состав и дисперсность синтезируемого продукта.
5. Получение объемного керамического материала на основе синтезируемого продукта и изучение его физико-механических свойств.
Степень разработанности темы исследования» Вопросы синтеза ультрадисперсного карбида кремния, получения высокоплотного объемного продукта и исследования его свойств широко рассматриваются в современной зарубежной и отечественной литературе, где особенно выделяются работы L. Cheng, A. Kohyama, R. Naslain, J. Yuan, F. Luo, W. Krenkel, R. Wu, Y.-T. Yu, B. Matovic, D.-H. Yoon, Ю. M. Таирова, P. А. Андриевского, С. А. Кукушкина, В. В. Лучинина и др. При этом востребованными являются исследования по совершенствованию существующих технологий и созданию нетривиальных путей получения SiC в порошкообразном и объемном виде, по разработке методов получения высокоплотной керамики с выдающимися физическими свойствами.
Научная новизна
1. Разработан метод прямого плазмодинамического синтеза карбида кремния на основе импульсного высоковольтного коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами, обеспечивающий получение в гиперскоростной струе электроразрядной плазмы ультрадисперсного продукта с монокристаллическим строением частиц.
2. Установлены основные закономерности влияния условий инициирования дугового разряда в ускорительном канале и энергетических параметров импульсного электропитания ускорителя на процесс плазмодинамического синтеза карбида кремния и характеристики дисперсного продукта.
3. Определен характер влияния параметров состояния внешней газообразной среды на фазовый состав, параметры кристаллической структуры, морфологию и размеры частиц порошка карбида кремния, формирующихся при высокоскоростном распылении материала плазменной струи.
4. Получена высокоплотная (р = 98,5 %) субмикронная керамика с высокими физико-механическими свойствами, отличающаяся высокой твердостью (H = 25,9 ГПа).
Практическая значимость работы
1. Разработан и запатентован способ плазмодинамического синтеза ультрадисперсного карбида кремния, базирующийся на использовании КМПУ с графитовыми электродами и позволяющий проводить экспериментальные исследования в областях физики высоких плотностей энергии и получения новых материалов в ультрадисперсном состоянии.
2. Определены оптимальные параметры экспериментальной системы - условия инициирования дугового разряда (использование графитизации, сопротивление углеродной перемычки R0 = 8500 Ом, соотношение прекурсоров Si:C = 3,0:1), значения энергетических и конструкционных параметров (использование свободного пространства камеры-реактора, значение выделившейся энергии W = 30 кДж), а также параметров внешней газообразной среды (давление p = 1,5 атм., температура t = 75 °C), позволяющие получать продукт плазмодинамического синтеза с наибольшим выходом ультрадисперсного карбида кремния и возможностью регулировать фазовый и гранулометрический состав продукта синтеза.
3. Определены режимные параметры и условия искрового плазменного спекания (давление p = 60 МПа, температура T = 1800 °C, скорость нагрева AT/At = 100 K/мин., время выдержки At = 10 мин., использование спекающей добавки Al:B:C в соотношении 4:2:2 %), обеспечивающие получение SiC-керамики с высокими физико-механическими и теплофизическими свойствами.
Основные положения, выносимые на защиту
1. В гиперскоростной струе электроразрядной плазмы, генерируемой коаксиальным магнитоплазменным ускорителем с графитовыми электродами, при закладке в канал формирования плазменной структуры порошкообразной смеси кремния и углерода осуществляется прямой плазмодинамический синтез ультрадисперсного кубического карбида кремния с монокристаллическим строением частиц и с максимальным выходом при соотношении Si:C - 3:1.
2. Использование в качестве способа инициирования дугового разряда в ускорительном канале графитизации поверхности изолятора приводит к предыонизации прекурсоров, более полному протеканию плазмохимической реакции и возрастанию содержания карбида кремния в синтезируемом продукте до ~99 % при сопротивлении разрушаемой углеродной перемычки -8500 Ом.
3. Использование импактной и свободной плазменной струи при изменении подведенной энергии от ~10,0 кДж до -30,0 кДж позволяет регулировать фазовый и гранулометрический состав продукта плазмодинамического синтеза: от -60 до -90 % SiC при среднем размере частиц от -70 нм до -140 нм в случае импактной струи и от -65 до -95 % SiC при среднем размере частиц от -70 нм до -80 нм в случае свободной струи.
4. Изменение параметров состояния внешней газообразной среды (давления в диапазоне от -0,1 атм до -5,0 атм и температуры от -25 °C до 75 °C) приводит к изменению фазового состава, параметров кристаллической структуры, морфологии и размеров частиц порошка карбида кремния, а также изменению ширины запрещенной зоны материала в диапазоне от ~3,5 эВ до ~3,8 эВ.
5. Применение метода искрового плазменного спекания для компактирования синтезированного продукта при использовании спекающих добавок Al:B:C обеспечивает получение высокоплотной (р = 98,5 %) субмикронной SiC-керамики, отличающейся высокой твердостью (H = 25,9 ГПа) и коэффициентом теплопроводности более 70 Вт/м-К.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы получены в рамках выполнения работ по грантам Российского научного фонда № 15-19-00049 (НИР ТПУ № 2.1513.С.2015), Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (проекты № 16795 и № 17216), Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 09-08-01110 и № 11-08-00608). Получен патент «Способ синтеза нанокристаллического карбида кремния» (2559510 РФ. C30B 29/36. Заявлено 09.04.2014; Опубл. 10.08.2015).
Личный вклад автора. Автор принимал активное участие на всех этапах выполнения научной работы: обзор литературы по тематике, постановка задач исследований и их проведение с использованием различных аналитических методик, обработка и интерпретация результатов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были апробированы в ходе устных и стендовых докладов в рамках многочисленных конференций Международного, Всероссийского и Регионального уровней: Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2011 г.), научно-технических конференциях молодежи ОАО «ЦентрСибНефтеПровод» (г. Томск, 2011, 2012, 2013 гг.), научнотехнических конференциях молодежи ОАО «Транснефть» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.; г. Уфа, 2014 г.), Международного конгресса «Energy Fluxes and Radiation Effects» (г. Томск, 2012, 2014, 2016 гг.), Международной конференции «Plasma technologies of studying, modifying and obtaining of different materials» (г. Казань, 2012 г.), Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2013» (г. Москва, 2013 г.), VI Международной конференции «Физическое материаловедение» (г. Тольятти, 2013 г.), XI Международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON (г. Омск, 2015 г.) и др.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается использованием современных методов исследования и достаточным количеством экспериментальных данных. Сравнительный анализ результатов проводился с привлечением результатов многочисленных работ по тематике диссертации. Получение, анализ и интерпретация результатов основаны на использовании традиционных методов обработки и анализа информации и методов статистического анализа.
Публикации. По тематике диссертационной работы опубликовано 30 работ, в том числе 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 6 публикаций в зарубежных журналах, индексируемых базами данных Web of Science и Scopus, и 1 патент на изобретение.
машиностроении, металлургии, ядерной энергетике и других областях. Такая широкая применимость карбида кремния обусловлена совокупностью уникальных физических характеристик, таких как высокая твердость (~30 ГПа), высокая термостойкость (на воздухе до температур ~1700 °C, низкий коэффициент теплового расширения - 4,0-10-6 К-1), стойкость к химически агрессивным средам и к радиационному излучению (до 1016 нейтронов/см2). Наличие таких свойств обеспечивает работу изделий на основе SiC в жестких средах. Кроме того, карбид кремния является материалом с выдающимися полупроводниковыми свойствами (ширина запрещенной зоны ~3 эВ, высокая пробивная напряженность 4,0 МВ/см), что позволяет использовать его для изготовления устройств силовой электроники, в том числе для эксплуатации в экстремальных условиях.
Особую важность имеет проблема синтеза ультрадисперсного карбида кремния, поскольку материалы в диспергированном состоянии могут демонстрировать уникальные сочетания свойств [1]. Известно, что наноразмерные частицы SiC используются для создания наноструктурированной керамики и в качестве армирующего материала для повышения износостойкости, твердости, прочности, вязкости разрушения и уменьшения трения. Таким образом, использование ультрадисперсного карбида кремния позволяет дополнительно улучшить свойства изделий на его основе. Отсюда следует актуальность проблемы синтеза ультрадисперсного карбида кремния и получения на его основе наноструктурированной керамики. Наноразмерный SiC возможно синтезировать посредством нескольких методов (самораспространяющийся высокотемпературный синтез, плазмохимические методы, золь-гель метод и др.). Однако все эти процессы имеют свои недостатки: небольшие объемы синтезированного продукта, наличие примесей, многоступенчатость процессов, высокая стоимость оборудования и прекурсоров и т. д.
Согласно фазовой диаграмме, карбид кремния может быть синтезирован при температуре более 2545±40 °C из жидкой фазы. Достижение таких температур осуществимо в низкотемпературной плазме. Одним из наиболее эффективных способов реализации экстремальных энергетических параметров, необходимых для соединения атомов кремния и углерода, представляется прямой плазмодинамический синтез (ПДС) в гиперскоростной струе кремний-углеродной электроразрядной плазмы. Генерация плазменного потока осуществляется посредством импульсного сильноточного коаксиального магнитоплазменного ускорителя (КМПУ) с графитовыми электродами [2].
Цель работы: разработка научно-технических основ синтеза ультрадисперсного карбида кремния в гиперскоростной струе кремнийуглеродной электроразрядной плазмы.
Для достижения указанной цели выполнялись задачи:
1. Анализ проблемы синтеза ультрадисперсного карбида кремния по современным литературным данным.
2. Разработка метода плазмодинамического синтеза на основе импульсного высоковольтного коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами для генерации импульсных сверхзвуковых струй кремнийуглеродной электроразрядной плазмы.
3. Исследование влияния условий инициирования дугового разряда в ускорительном канале и энергетических параметров импульсного электропитания ускорителя на процесс плазмодинамического синтеза и характеристики дисперсного продукта.
4. Исследование влияния параметров состояния внешней газообразной среды на фазовый состав и дисперсность синтезируемого продукта.
5. Получение объемного керамического материала на основе синтезируемого продукта и изучение его физико-механических свойств.
Степень разработанности темы исследования» Вопросы синтеза ультрадисперсного карбида кремния, получения высокоплотного объемного продукта и исследования его свойств широко рассматриваются в современной зарубежной и отечественной литературе, где особенно выделяются работы L. Cheng, A. Kohyama, R. Naslain, J. Yuan, F. Luo, W. Krenkel, R. Wu, Y.-T. Yu, B. Matovic, D.-H. Yoon, Ю. M. Таирова, P. А. Андриевского, С. А. Кукушкина, В. В. Лучинина и др. При этом востребованными являются исследования по совершенствованию существующих технологий и созданию нетривиальных путей получения SiC в порошкообразном и объемном виде, по разработке методов получения высокоплотной керамики с выдающимися физическими свойствами.
Научная новизна
1. Разработан метод прямого плазмодинамического синтеза карбида кремния на основе импульсного высоковольтного коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами, обеспечивающий получение в гиперскоростной струе электроразрядной плазмы ультрадисперсного продукта с монокристаллическим строением частиц.
2. Установлены основные закономерности влияния условий инициирования дугового разряда в ускорительном канале и энергетических параметров импульсного электропитания ускорителя на процесс плазмодинамического синтеза карбида кремния и характеристики дисперсного продукта.
3. Определен характер влияния параметров состояния внешней газообразной среды на фазовый состав, параметры кристаллической структуры, морфологию и размеры частиц порошка карбида кремния, формирующихся при высокоскоростном распылении материала плазменной струи.
4. Получена высокоплотная (р = 98,5 %) субмикронная керамика с высокими физико-механическими свойствами, отличающаяся высокой твердостью (H = 25,9 ГПа).
Практическая значимость работы
1. Разработан и запатентован способ плазмодинамического синтеза ультрадисперсного карбида кремния, базирующийся на использовании КМПУ с графитовыми электродами и позволяющий проводить экспериментальные исследования в областях физики высоких плотностей энергии и получения новых материалов в ультрадисперсном состоянии.
2. Определены оптимальные параметры экспериментальной системы - условия инициирования дугового разряда (использование графитизации, сопротивление углеродной перемычки R0 = 8500 Ом, соотношение прекурсоров Si:C = 3,0:1), значения энергетических и конструкционных параметров (использование свободного пространства камеры-реактора, значение выделившейся энергии W = 30 кДж), а также параметров внешней газообразной среды (давление p = 1,5 атм., температура t = 75 °C), позволяющие получать продукт плазмодинамического синтеза с наибольшим выходом ультрадисперсного карбида кремния и возможностью регулировать фазовый и гранулометрический состав продукта синтеза.
3. Определены режимные параметры и условия искрового плазменного спекания (давление p = 60 МПа, температура T = 1800 °C, скорость нагрева AT/At = 100 K/мин., время выдержки At = 10 мин., использование спекающей добавки Al:B:C в соотношении 4:2:2 %), обеспечивающие получение SiC-керамики с высокими физико-механическими и теплофизическими свойствами.
Основные положения, выносимые на защиту
1. В гиперскоростной струе электроразрядной плазмы, генерируемой коаксиальным магнитоплазменным ускорителем с графитовыми электродами, при закладке в канал формирования плазменной структуры порошкообразной смеси кремния и углерода осуществляется прямой плазмодинамический синтез ультрадисперсного кубического карбида кремния с монокристаллическим строением частиц и с максимальным выходом при соотношении Si:C - 3:1.
2. Использование в качестве способа инициирования дугового разряда в ускорительном канале графитизации поверхности изолятора приводит к предыонизации прекурсоров, более полному протеканию плазмохимической реакции и возрастанию содержания карбида кремния в синтезируемом продукте до ~99 % при сопротивлении разрушаемой углеродной перемычки -8500 Ом.
3. Использование импактной и свободной плазменной струи при изменении подведенной энергии от ~10,0 кДж до -30,0 кДж позволяет регулировать фазовый и гранулометрический состав продукта плазмодинамического синтеза: от -60 до -90 % SiC при среднем размере частиц от -70 нм до -140 нм в случае импактной струи и от -65 до -95 % SiC при среднем размере частиц от -70 нм до -80 нм в случае свободной струи.
4. Изменение параметров состояния внешней газообразной среды (давления в диапазоне от -0,1 атм до -5,0 атм и температуры от -25 °C до 75 °C) приводит к изменению фазового состава, параметров кристаллической структуры, морфологии и размеров частиц порошка карбида кремния, а также изменению ширины запрещенной зоны материала в диапазоне от ~3,5 эВ до ~3,8 эВ.
5. Применение метода искрового плазменного спекания для компактирования синтезированного продукта при использовании спекающих добавок Al:B:C обеспечивает получение высокоплотной (р = 98,5 %) субмикронной SiC-керамики, отличающейся высокой твердостью (H = 25,9 ГПа) и коэффициентом теплопроводности более 70 Вт/м-К.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы получены в рамках выполнения работ по грантам Российского научного фонда № 15-19-00049 (НИР ТПУ № 2.1513.С.2015), Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (проекты № 16795 и № 17216), Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 09-08-01110 и № 11-08-00608). Получен патент «Способ синтеза нанокристаллического карбида кремния» (2559510 РФ. C30B 29/36. Заявлено 09.04.2014; Опубл. 10.08.2015).
Личный вклад автора. Автор принимал активное участие на всех этапах выполнения научной работы: обзор литературы по тематике, постановка задач исследований и их проведение с использованием различных аналитических методик, обработка и интерпретация результатов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были апробированы в ходе устных и стендовых докладов в рамках многочисленных конференций Международного, Всероссийского и Регионального уровней: Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2011 г.), научно-технических конференциях молодежи ОАО «ЦентрСибНефтеПровод» (г. Томск, 2011, 2012, 2013 гг.), научнотехнических конференциях молодежи ОАО «Транснефть» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.; г. Уфа, 2014 г.), Международного конгресса «Energy Fluxes and Radiation Effects» (г. Томск, 2012, 2014, 2016 гг.), Международной конференции «Plasma technologies of studying, modifying and obtaining of different materials» (г. Казань, 2012 г.), Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2013» (г. Москва, 2013 г.), VI Международной конференции «Физическое материаловедение» (г. Тольятти, 2013 г.), XI Международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON (г. Омск, 2015 г.) и др.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается использованием современных методов исследования и достаточным количеством экспериментальных данных. Сравнительный анализ результатов проводился с привлечением результатов многочисленных работ по тематике диссертации. Получение, анализ и интерпретация результатов основаны на использовании традиционных методов обработки и анализа информации и методов статистического анализа.
Публикации. По тематике диссертационной работы опубликовано 30 работ, в том числе 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 6 публикаций в зарубежных журналах, индексируемых базами данных Web of Science и Scopus, и 1 патент на изобретение.
В соответствии с исходными целью и задачами в настоящем исследовании проведен цикл экспериментальных работ по синтезу ультрадисперсного карбида кремния в гиперскоростной струе кремний-углеродной электроразрядной плазмы. В рамках проведенных исследований получены следующие результаты:
1) Показана возможность синтеза ультрадисперсного карбида кремния fi-SiC с монокристаллическим строением частиц методом ПДС на основе импульсного высоковольтного коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами. Синтезированные частицы могут использоваться для создания на их основе устройств наноэлектроники с улучшенными эксплуатационными свойствами: нано- и микроэлектромеханических систем, наносенсоров, нано- и микрорезонаторов.
2) Проведено исследование влияния условий инициирования дугового разряда в ускорительном канале на процесс и продукт ПДС. Наиболее оптимальным способом инициирования плазменной струи является использование графитизации.
3) Получена экспериментальная зависимость фазового состава продукта синтеза от начального сопротивления углеродной перемычки. Максимальное содержание карбида кремния достигается при R0 = 8500 Ом.
4) Определено влияние подведенной энергии на фазовый и гранулометрический состав продукта синтеза при импактной и свободной плазменной струе. Наибольшая доля карбида кремнии достигается при W = 30 кДж при истечении плазменного потока в свободное пространство камеры-реактора.
5) Определено влияние соотношения прекурсоров на фазовый состав продукта синтеза. Оптимальным является массовое соотношение прекурсоров Si:C- 3,0:1
6) Получены экспериментальные зависимости фазового и гранулометрического состава продукта от условий внешней газообразной среды КР (давления и температуры). Максимальное содержание фазы fi-SiC достигается при давлении и температуре КР p = 1,5 атм. и t = 75 °C соответственно.
7) Показана возможность регулирования полупроводниковых свойств наноразмерных частиц синтезированного карбида кремния за счет изменения дисперсности и дефектности кристаллической структуры. Ширина запрещенной зоны образцов лежит в диапазоне от ~3,5 до ~3,8 эВ.
8) Экспериментально показана возможность компактирования продукта ПДС методом искрового плазменного спекания и получения плотной керамики (р = 98,5 %) с высокой твердостью (H = 25,9 ГПа).
9) Определены оптимальные условия получения керамических образцов на основе карбида кремния с высокими физико-механическими характеристиками: давление p = 60 МПа, температура T = 1800 °C, скорость нагрева AT/At = 100 K/мин., время выдержки At = 10 мин., использование спекающей добавки Al:B:C в соотношении 4:2:2 %).
10) Показана эффективность использования безоксидных добавок для улучшения теплофизических свойств спеченного SiC. Для керамических образцов получены значения коэффициента теплопроводности более 70 Вт/м-К, что упрощает проблему теплоотвода и позволяет повысить мощность электротехнических устройств.
Автор выражает признательность и благодарность своему научному руководителю профессору ОЭЭ ИШЭ ТПУ, д.т.н., с.н.с. Сивкову Александру Анатольевичу, а также коллективу научной группы «Лаборатория магнитоплазменных технологий» и в особенности доцентам Ивашутенко А.С. и Рахматуллину И. А. за оказанную помощь и рекомендации в выполнении работы.
1) Показана возможность синтеза ультрадисперсного карбида кремния fi-SiC с монокристаллическим строением частиц методом ПДС на основе импульсного высоковольтного коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами. Синтезированные частицы могут использоваться для создания на их основе устройств наноэлектроники с улучшенными эксплуатационными свойствами: нано- и микроэлектромеханических систем, наносенсоров, нано- и микрорезонаторов.
2) Проведено исследование влияния условий инициирования дугового разряда в ускорительном канале на процесс и продукт ПДС. Наиболее оптимальным способом инициирования плазменной струи является использование графитизации.
3) Получена экспериментальная зависимость фазового состава продукта синтеза от начального сопротивления углеродной перемычки. Максимальное содержание карбида кремния достигается при R0 = 8500 Ом.
4) Определено влияние подведенной энергии на фазовый и гранулометрический состав продукта синтеза при импактной и свободной плазменной струе. Наибольшая доля карбида кремнии достигается при W = 30 кДж при истечении плазменного потока в свободное пространство камеры-реактора.
5) Определено влияние соотношения прекурсоров на фазовый состав продукта синтеза. Оптимальным является массовое соотношение прекурсоров Si:C- 3,0:1
6) Получены экспериментальные зависимости фазового и гранулометрического состава продукта от условий внешней газообразной среды КР (давления и температуры). Максимальное содержание фазы fi-SiC достигается при давлении и температуре КР p = 1,5 атм. и t = 75 °C соответственно.
7) Показана возможность регулирования полупроводниковых свойств наноразмерных частиц синтезированного карбида кремния за счет изменения дисперсности и дефектности кристаллической структуры. Ширина запрещенной зоны образцов лежит в диапазоне от ~3,5 до ~3,8 эВ.
8) Экспериментально показана возможность компактирования продукта ПДС методом искрового плазменного спекания и получения плотной керамики (р = 98,5 %) с высокой твердостью (H = 25,9 ГПа).
9) Определены оптимальные условия получения керамических образцов на основе карбида кремния с высокими физико-механическими характеристиками: давление p = 60 МПа, температура T = 1800 °C, скорость нагрева AT/At = 100 K/мин., время выдержки At = 10 мин., использование спекающей добавки Al:B:C в соотношении 4:2:2 %).
10) Показана эффективность использования безоксидных добавок для улучшения теплофизических свойств спеченного SiC. Для керамических образцов получены значения коэффициента теплопроводности более 70 Вт/м-К, что упрощает проблему теплоотвода и позволяет повысить мощность электротехнических устройств.
Автор выражает признательность и благодарность своему научному руководителю профессору ОЭЭ ИШЭ ТПУ, д.т.н., с.н.с. Сивкову Александру Анатольевичу, а также коллективу научной группы «Лаборатория магнитоплазменных технологий» и в особенности доцентам Ивашутенко А.С. и Рахматуллину И. А. за оказанную помощь и рекомендации в выполнении работы.
Подобные работы
- Исследование влияния модифицирующих добавок на свойства теплопроводящей
керамики на основе нитрида алюминия, полученной по технологии искрового
плазменного спекания
Главы к дипломным работам, технология производства продукции. Язык работы: Русский. Цена: 1200 р. Год сдачи: 2016