Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

ОДЕРЖАННЯ ПОРОШКІВ ТУГОПЛАВКИХ І НЕМЕТАЛЕВИХ СПОЛУК

Внаслідок особливостей хімічного зв’язку порошки тугоплавких сполук та керамічних матеріалів у більшості випадків не можуть бути виготовлені за допомогою раніше розглянутих традиційних методів і тому для їх отримання застосовують такі методи:

1) пічний синтез (ПС);

2) самопоширюючийся високотемпературний синтез (СВС);

3) плазмохімічний синтез (ПХС);

4) газофазні методи синтезу.

Найбільш детально розроблені способи ПС у високо температурних електричних печах (печі опору та індукційні). У таких печах здійснюються реакції:

- безпосереднього утворення сполук з елементів:

Si + C = SiC; (4.1)

3Si + 2N₂=Si₃N₄; (4.2)

4В + С = В₄С; (4.3)

2В + N₂ = 2ВN; (4.4)

- відновлення оксидів твердим або газоподібним відновником:

SіО₂ + 3С= SiС+2СО; (4.5)

2В₂О₃+7С=В₄С+6СО. (4.6)

Використання електропечей дає можливість регулювати у широких межах температурно-швидкісні параметри процесу і оптимізувати умови синтезу залежно від вимог, які ставляться до отриманих порошків.

Перевагами методу ПС є:

1) апаратна і технологічна простота процесу;

2) стабільність і контрольованість процесу;

3) висока продуктивність;

4) можливість гнучкого управління і автоматизації.

До недоліків ПС можна віднести:

1) висока тривалість процесу (десятки годин);

2) висока енергоємність;

3) забруднення кінцевого продукту синтезу домішками які присутні у вихідних матеріалах та елементами футерування печей.

Вміст основної фази у кінцевому продукті ПС складає близько 98 %, середня питома поверхня порошку складає 1,0-1,5 м²/г, а середній розмір частинок порошку визначається умовами розмолу синтезованого матеріалу.

Прикладом обладнання для реалізації ПС можуть служити:

- печі опору з вугільною трубою (печі Таммана);

- кернові печі опору (печі Ачесона).

Печі Таммана являють собою металевий водо охолоджувальний кожух, заповнений теплоізолюючою засипкою з сажі, всередині якого змонтована вугільна труба – нагрівник. До кінців труби через знижувальний трансформатор підводиться електричний струм. З торців труби монтуються водо охолоджувальні завантажувальна камера і холодильник. Всередину труби подається захисний або відновний газ.

Незважаючи на простоту конструкції такі печі дозволяють отримувати і стабільно підтримувати високі температури до 2500 ⁰С, а також можуть працювати в циклічному і неперервному режимі.

Кернові печі Ачесона (рисунок 4.1) являють собою камеру, футеровану вогнетривкими матеріалами, з двома графітовими електродами через які підводиться електричний струм. У камеру завантажують суміш вихідних реагуючих компонентів. У центрі простору камери формують струмопровідний керн з нафтококсу. Після цього реакційний об’єм остаточно заповнюють сумішшю вихідних компонентів.

Кернові печі використовують при крупно масштабному виробництві карбіду кремнію (наприклад на ВАТ “Запоріжабразив”). Як вихідну сировину при цьому використовують кварцовий пісок і нафтококс. Після включення печі у результаті нагрівання коксового керна поступово нагріваються шари шихти вихідних матеріалів у напрямку від керна до периферії і у гарячій зоні відбувається відновлення кремнезему вуглецем з утворенням SiC за формулою (4.5).

Рисунок 4.1 – Схема промислової печі

для виробництва карбіду кремнію

1 – сердечник печі; 2 – шар графіту; 3 – крупнокристалічний карбід кремнію; 4 – дрібнокристалічний карбід кремнію; 5 – частково прореагована шихта; 6 – непрореагована шихта

Метод ПС не дозволяє отримувати кінцевий продукт, який за чистотою відповідає вимогам сучасного прикладного матеріалознавства і тому значне поширення отримали інші методи отримання порошків тугоплавких і неметалевих сполук.

Метод самопоширюючогося високотемпературного синтезу базується на реалізації екзотермічних реакцій утворення деяких тугоплавких сполук.

Хімічна реакція синтезу ініціюється з допомогою електричного підпалу, це призводить до різкого підвищення температури у зоні реакції і просування фронту хімічного горіння в об’ємі реагуючих компонентів.

У залежності від агрегатного стану вихідних компонентів здійснюють СВС процеси трьох типів:

1 горіння суміші порошків у вакуумі або інертному середовищі;

2 горіння порошку у газоподібному окислювачі;

3 горіння порошку у рідкому окислювачі.

СВС проводять у спеціальних реакторах, які представляють собою герметичну посудину високого тиску з пристроєм електричного підпалу і відрізняються для трьох описаних типів процесів.

Найбільше поширення для без газового синтезу отримали реактори постійного тиску (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 – СВС реактор постійного тиску

І – корпус реактора; ІІ – вікно для спостережень; ІІІ – манометр; IV – ємність із зразком; V – фотореєстратор швидкості горіння; 1 – речовина або пристрій запалювання; 2 – продукт горіння; 3 – зона реакції при горінні; 4 – непрореагована частина зразка; 5 – захисне середовище

Як переваги методу СВС можна відмітити:

1) високу якість кінцевого продукту (визначається чистотою вихідних компонентів),

2) простоту апаратної реалізації,

3) низьку енергоємність (енергія потрібна тільки для ініціації процесу),

4) висока продуктивність (середній час синтезу 10-10^-3секунди).

Недоліками методу СВС є:

1) можливість застосування лише для синтезу тих сполук утворення яких супроводжується значним екзотермічним ефектом;

2) наявність непрореагованих вихідних компонентів, які важко відділити від кінцевого продукту синтезу;

3) наявність високих температур в зоні горіння призводить до формування міцних твердих спечених об’єктів як синтезованого матеріалу так і непрореагованих вихідних компонентів, які потребують додаткового подрібнення і розмолу, у процесі чого можливе забруднення одержаних порошків.

Вміст основної фази одержаного методом СВС матеріалу становить порядку 97 %, середня питома поверхня порошку 1,0-1,5 м²/г., середній розмір частинок визначається умовами розмолу і складає більше 5 мкм.

Суттєве прискорення реакції синтезу і можливість одержання ультрадисперсних високо активних порошків досягається у результаті використання низькотемпературної плазми при плазмохімічному синтезі.

Для утворення плазми використовують дугові плазмотрони постійного і змінного струму, а також високочастотні плазмотрони.

Суть методу ПХС полягає у введенні твердих дисперсних (у вигляді порошку), а також газоподібних компонентів у струмінь плазми, що приводить до:

- швидкого інтенсивного нагрівання реагуючих компонентів;

- плавлення компонентів;

- переведення компонентів у газоподібний стан;

- часткової іонізації вихідних компонентів;

- проходження реакції синтезу;

- виведення готового продукту з зони реакції.

Тривалість плазмохімічного синтезу складає 10^-2– 10 секунд, середня питома поверхня одержаних частинок порошку 25-35 м²/г вміст основної фази близько 95 %, середній розмір частинок порошку менше 1 мкм.

Переваги методу ПХС:

- висока продуктивність;

- висока дисперсність і, відповідно, активність одержаного порошку;

- висока швидкість руху вихідних компонентів у струмені плазми дозволяє здійснити гартування продуктів реакції, у результаті чого формуються субмікронні частинки порошку з високою концентрацією дефектів кристалічної гратки.

Недоліки методу ПХС:

- висока енергоємність процесу;

- можливість забруднення синтезованих продуктів у результаті їх взаємодії з атмосферою (окислення).

Для отримання найбільш чистих порошків тугоплавких і неметалевих сполук використовують газофазні методи синтезу, при яких у результаті реакцій між газоподібними компонентами утворюються кінцеві продукти з найменшим вмістом домішок.

Прикладом газофазного методи синтезу може служити проведення хімічних реакцій синтезу високочистих порошків нітриду і карбіду кремнію, стимульованих лазерним випромінюванням. У камері заповненій сумішами газів, які містять реагуючі компоненти, пропускається лазерний промінь. У середині цього променя реалізується високо енергетичний стан який дозволяє провести реакцію синтезу. Стінки самої камери при цьому залишаються холодними.

Різкий температурний перепад на межі лазерного променя і оточуючого простору дозволяє контролювати швидкість росту частинок і час впливу на реакційну суміш газових компонентів.

Газофазні методи синтезу мають такі переваги:

- висока чистота кінцевого продукту синтезу, яка визначається тільки чистотою вихідних компонентів;

- висока дисперсність кінцевого продукту.

Серед недоліків газофазного синтезу можна відмітити:

- малий реакційний об’єм і, відповідно, низьку продуктивність;

- високу вартість вихідних високочистих компонентів і кінцевого продукту синтезу.

Середній час проходження газафазного синтезу 10²-10³ секунд вміст основної фази 99,9 %, середня питома поверхня порошку 18-25 м²/г, середній розмір частинок порошку менше 1 мкм.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
ФІЗИКО-ХІМІЧНІ МЕТОДИ ОДЕРЖАННЯ ПОРОШКІВ	\|	ХІМІЧНІ І ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПОРОШКІВ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.