Спосіб виготовлення нановолокон нітриду кремнію

Винахід належить до галузі виготовлення нановолокнистих матеріалів, а саме - нановолокон нітриду кремнію і може бути використаний при розробці армованих композитних матеріалів, особливо з керамічною матрицею, та для виготовлення фільтрів надтонкої очистки рідин, включаючи агресивні. Відомий спосіб виготовлення нановолокон нітриду кремнію шляхом нагрівання вуглецевих багатостінних вуглецевих нанотрубок та силікагелю в атмосфері аміаку до температури 1360°С [F. Leonarc Deepak et al. Nanowires and Nanotubes ofBN, GaN and Si3N4 // Material Science; Vol.50, No.2, 2002]. Недоліком цього способу є необхідність попереднього виготовлення багатостінних вуглецевих нанотрубок та проведення синтезу при досить високих температурах. Відомий спосіб виготовлення нановолокон нітриду кремнію шляхом карботермічного відновлення SiO2 в присутності арієту [L.D. Zhang, G.W. Meng, F. Phillipp. Synthesis and characterization of Nanowires and nanocables // Materials Science and Engineering A286 (2000) 34-38], згідно з яким спочатку готують ксерогель SiO2, потім синтезують нановолокна нітриду кремнію. Недоліком цього способу є його складність, так як процесу синтезу передує довготривалий процес приготування ксерогелю. Найбільш близьким способом виготовлення нановолокон нітриду кремнію (діаметром приблизно 30-200 нанометрів) за рахунок реакції газоподібного SiO, який формується в реакторі із твердого SiO, та джерела азоту, в якості якого використовуються N2, NH3, амоній чи гідрозін, при підвищених (1200-1400°С) температурах і тиску в зоні реакції в присутності дисперсних вуглецевих нанотрубок, що мають діаметр від 3,5 до 70 нанометрів, причому реакція відбувається протягом 20 годин. [Пат. США 5814290, М. кл. С01В021/068, опубл. 29 вересня 1998р.]. Недоліками цього способу є: необхідність застосування вуглецевих нанотрубок, проведення процесу при досить високих температурах і підвищеному тиску, довготривалість процесу виготовлення нановолокон нітриду кремнію. Задачею винаходу "Спосіб виготовлення нановолокон нітриду кремнію" є спрощення процесу виготовлення нановолокон за рахунок зниження температури до 900-1100°С, зменшення часу синтезу до 30-180 хвилин, проведення процесу виготовлення нановолокон при атмосферному тиску. Задача досягається шляхом за рахунок термічного розкладу тетрахлориду кремнію в присутності азоту та водню, причому синтез відбувається в температурному діапазоні 900-1000°С в присутності порошків каталізаторів Fe, Co, Ni і їх суміші та в температурному діапазоні 1010-1100°С без порошків каталізаторів на протязі 30-180 хвилин, а співвідношення компонентів парогазової суміші SiCl4, Н2 та N2 становить відповідно 10:45:45-20:40:40. Застосування тетрахлориду кремнію, азоту та водню в якості парогазової суміші дозволяє точно дозувати співвідношення компонентів і суттєво спрощує процес виготовлення нановолокон нітриду кремнію в порівнянні з аналогами за рахунок зниження температури синтезу вказаних волокон. При виготовленні нановолокон з застосуванням каталізаторів при температурі, нижчій за 900°С, швидкість синтезу нановолокон нітриду кремнію настільки низька, що продуктивність обладнання є економічно не вигідною. При температурі, вищій за 1000°С, утворюются мікроволокна (діаметр яких становить декілька мікрон). При температурах, вищи х за 1100°С, в продуктах синтезу суттєво переважають плівки нітриду кремнію. При виготовленні нановолокон без застосування каталізаторів температурний діапазон в сторону збільшення і становить 1000-1100°С. У цьому випадку при температурах, нижчих за 1000°C кількість синтезованих нановолокон була дуже малою, а при температурах, ви щи х за 1100°С діаметр нановолокон збільшується до кількох сотень нанометрів. Часовий діапазон виготовлення нановолокон та мікроволокон обумовлений кількістю синтезованих нановолокон. Співвідношення компонентів парогазової суміші обумовлене економічними міркуваннями: при меншому значенні SiCl4 за нижню межу діапазону зменшується продуктивність установки, а при більшому значенню за верхню межу - відбувається невиправдана витрата компонентів. Вказані вище обгрунтування показують наступні приклади. Приклад 1 Нановолокна Sі3N4 виготовлювали з застосування каталізаторів, який розміщували в зоні синтезу на графітовій підкладці, що розігрівалася прямим пропусканням електричного струму. Таку підкладку розміщували в кварцевому проточному реакторі діаметром 40мм і довжиною 300мм. Перед початком синтезу суміш порошківкаталізаторів Fe, Со та Ni відновлювали в середовищі водню гри температурі 900°С протягом 30 хвилин, після чого в реактор впускали парогазову суміш SiCl4, H2 та N 2 в співвідношенні 10:45:40. Час синтезу нановолокон Si3N4 становив 180 хвилин. Дослідження продуктів синтезу проводили на просвічуючому електронному мікроскопі JCM 100 СХ. Нанoволокнисті структури, виготовлені при вказаних у Прикладі 1 параметрах, та їх електронограма представлені на Фіг.1. Результати дослідження на просвічуючому електронному мікроскопі свідчать, що нановолокна нітриду кремнію мають діаметр, в основному, 15-25 нанометрів. Електронограма свідчить про те, що нановолокна мають аморфну стр уктур у. Приклад 2 Синтез нановолокон проводили з застосуванням каталізаторів з парогазової суміші SiCl4, H2 та N3 (10:45:45 відповідно) при температурі 960°С на протязі 60хв. Зразки синтезованого матеріалу та його електронограма представлені на Фіг.2. Нановолокна мають діаметр 70-240 нанометрів. Електронограма свідчить про те, що нановолокна мають кристалічну структур у. Приклад 3 Нановолокна виготовляли без застосування каталізаторів з парогазової суміші SiCl4, H2 та N3 (10:45:45 відповідно) при температурі 1100°С на протязі 90хв. Результати досліджень нановолокон Si3N4 на просвічуючому електронному мікроскопі представлені на Фіг.3. Нановолокна мають діаметр 20-70 нанометрів. Дослідження фазового складу нановолокон методой рентгенографії, виготовлених згідно з умовами Прикладу 3, показало, що продукти синтезу є a -Si3N4 та b -Si3N4 (Фіг.4). Приклад 4 Нановолокна виготовляли без застосування каталізаторів з парогазової суміші SiCl4, H2 та N3 (20:40:40 відповідно) при температурі 1100°С на протязі 90хв. Нановолокна мають діаметр 30-60 нанометрів. Дослідження фазового складу нановолокон методом рентгенографії, виготовлених згідно з умовами Прикладу 3, показало, що продукти синтезу є a -Si3N4 та b -Si3N4 (Фіг.4). Вищеописані приклади показують, що такий спосіб дає змогу синтезувати нановолокна нітриду кремнію. Причому, в залежності від параметрів технологічного процесу можна виготовляти нановолокна необхідних розмірів та структури. Нановолокна нітриду кремнію, завдяки комплексу підвищених властивостей можуть бути успішно використані для виготовлення армованих композитних матеріалів, зокрема для створення композитів на основі нанокераміки.