Описание
В Институте разработана инновационная технология синтеза порошков карбида кремния SiC методом карботермического восстановления кремнезема в реакторе электротермического псевдоожиженного (кипящего) слоя (реактор ЭТКС). SiC относится к инновационным материалам, потребление которого в современном высокотехнологичном производстве постоянно растет благодаря его механическим, электротехническим и физико-химическим свойствам. SiC обладает высокой твердостью и прочностью, химической стойкостью в окислительных средах, высокой теплопроводностью, низкой плотностью, низким коэффициентом термического расширения, что позволяет широко применять его в областях, где используются высокие температуры, агрессивные среды: в аэрокосмической, химической, атомной промышленности, в микроэлектронике, при изготовлении абразивных и режущих инструментов.ОПИСАНИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ
Технология синтеза порошков карбида кремния SiC методом карботермического восстановления кремнезема реализована на созданной автоматизированной экспериментальной установке с реактором ЭТКС.
Электротермический кипящий слой создается из смеси углеродного восстановителя С и мелкодисперсного кремнезема SiО2 заданного массового состава. В реакторе ЭТКС нагрев реагирующих компонентов происходит путем пропускания электрического тока через кипящий слой электропроводящих частиц углерода, с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую при температурах 800 – 1900 оС, что вызывает энергетическую активацию реагентов.
Выделяющаяся энергия обеспечивает протекание эндотермических реакций, а электроразряды между псевдоожиженными частицами создают область микроплазмы и разрушают химические связи в молекулах реагирующих веществ. Синтез SiC протекает на поверхности частиц углеродного восстановителя, на которой осаждаются пары монооксида кремния SiО, образующегося при испарении и диссоциации кремнезема SiО2, и взаимодействия его расплава с углеродом при температуре свыше 1750 оС.
Эффективность технологии обеспечивается интенсивным тепло- и массопереносом между газом и твердыми частицами, текучестью слоя и его изотермичностью.
В реакторе ЭТКС обеспечивается возможность автоматизации технологического процесса, однородность состава и высокая чистота конечного продукта.
Высокий выход товарного мелкозернистого карбида кремния SiC в виде порошка различной пористости позволяет использовать его без дополнительных операций для получения композиционных материалов.
На основе SiC разработаны новые полимерные композиционные материалы и покрытия для различных областей техники.
Характеристики технологии:
максимальная температура до 1900°С
получаемый продукт β-SiC и α-SiC
производительность до 3 кг/ч
работа в непрерывном режиме
высокая энергоэффективность
возможность селективного синтеза различных политипов SiC
ТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕХНОЛОГИИ
Промышленным методом получения SiC является восстановление кремнезема SiО2 углеродом в крупнотоннажных электротермических печах по способу Э. Ачесона, предложенному в 90-е годы XIX в. Печи Ачесона используются до настоящего времени, несмотря на низкий относительный выход товарного карбида кремния, длительность процесса, неэкологичность, перерасход электроэнергии, применение ручного труда.
Внутренний нагрев реагирующих частиц смеси при протекании тока в реакторе ЭТКС принципиально более эффективен, чем нагрев при обтекании частиц горячим газом в печи Ачесона; снижаются затраты энергии на единицу массы продукта.
Способ и установка удостоены Диплома I степени и Золотой медали в номинации «Лучший инновационный проект в области материалов и химической продукции» на Петербургской технической ярмарке 2014 года.
СВЕДЕНИЯ О ПАТЕНТАХ
Евразийский патент на изобретение № 027539 «Способ и установка для получения карбида кремния», 2017.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ О СОТРУДНИЧЕСТВЕ
Создание единичных установок по контрактам с заказчиком.
Создание высокотехнологичных линий по получению карбида кремния и других карбидов и нитридов, а также линий по высокотемпературной очистке углеродных материалов от примесей.