Спосіб виготовлення нановолокон карбіду кремнію

Спосіб виготовлення нановолокон карбіду кремнію, який включає газофазне хімічне осадження карбіду кремнію з метилтрихлорсилану на розігріту підкладку з застосуванням каталізатора, який відрізняється тим, що як підкладку та каталізатор використовують стальну пластину, а синтез здійснюють в температурному діапазоні 1150-1250 °С протягом 2-20 хв. (19) (21) a200603106 (22) 22.03.2006 (24) 10.01.2008 (72) СИЛЕНКО ПЕТРО МИТРОФАНОВИЧ, UA, ШЛАПАК АНАТОЛІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, UA, РАГУЛЯ АНДРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ.І.М.ФРАНЦЕВИЧА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA (56) UA 79767 C2, 15.02.2006 RU 2087416 C1, 20.08.1997 3 покриття SiC. Процес виготовлення карбідокремнієвих нановолокон відбувається при тиску 10-100мм.рт.ст. До недоліків цього способу відносяться: а) попереднє пресування пластинки, що містить порошки вуглецю, кремнію та порошку каталізатору; б) необхідність застосування кремнієвої підкладки та її попереднього покриття шаром діоксиду кремнію; в) застосування складного вакуумного обладнання для виготовлення нановолокон г) необхідність видалення діоксиду кремнію після проведення синтезу. Задачею винаходу "Спосіб виготовлення нановолокон карбіду кремнію" є розробка простого методу виготовлення нановолокон карбіду кремнію, в якому відсутнє попереднє пресування порошків вуглецю, кремнію та каталізатору і відсутня кремнієва пластинка-підкладка, а процес синтезу відбувається в проточному кварцовому трубчатому реакторі при атмосферному тиску. Задача досягається тим, що в якості підкладки та каталізатору використовується стальна пластинка, а синтез відбувається в температурному діапазоні 1150-1250°С протягом 2-20хв. Застосування стальної пластинки суттєво зменшує час підготовки до синтезу нановолокон карбіду кремнію (підготовка пластинки полягає в її вирізанні з листової сталі). Підготовка ж пластинки згідно з способом-прототипом полягає в підготовці (перемішуванні порошків вуглецю, кремнію та каталізатору з наступним їх пресуванням. Крім того, вартість стальної пластинки значно менша в порівнянні з дорогостоящими порошками вуглецю, кремнію та Fe, Co, Ni. В пропонованому способі виготовлення нановолокон карбіду кремнію усувається необхідність застосування кремнієвої підкладки, яку попередньо необхідно покривати шаром діоксиду кремнію, так як стальна пластинка одночасно виконує роль і каталізатору і підкладки. Проведення синтезу в проточному кварцевому реакторі при атмосферному тиску суттєво спрощує обладнання для виготовлення нановолокон карбіду кремнію в порівнянні з обладнанням способу-прототипу, де синтез відбувається в вакуумі 10-100мм.рт.ст. Крім того, для досягнення вказаного вакууму потрібен додатковий час. В способі, що заявляється, немає необхідності видаляти діоксид кремнію після проведення синтезу. Проведення синтезу нановолокон в температурному діапазоні 1150-1250°С протягом 2-20 хвилин дозволяє виготовлювати довершені монокристальні нановолокна карбіду кремнію. Зменшення часу синтезу нановолокон карбіду кремнію до 2-20 хвилин (у прототипі 5-180хв) дає змогу виготовлювати нановолокна, діаметр яких не перевищує 100-150 нанометрів. При температурі, нижчій за 1150°С суттєво зменшується кількість синтезованих нановолокон, а при температурах, вищих за 1250°С діаметр синтезованих волокон досягає декількох сотень нанометрів, що виходить за межі поняття 81534 4 нановолокон. Вказані вище обгрунтування здійснення способу показують наступні приклади та ілюструють фігури 1-5. Приклад 1. Нановолокна карбіду кремнію виготовлювали з застосування каталізатору (пластинки із Ст.3), який розміщували в зоні синтезу в кварцевому проточному реакторі діаметром 20мм і довжиною 1м. Перед початком синтезу стальну пластинку відновлювали в середовищі водню при температурі 900°С протягом 30 хвилин, після чого температуру підвищили до 1150°С і в реактор впустили парогазову суміш CH3SiCI3, Н2 та N2. Час синтезу нановолокон SiC становив 20 хвилин. Дослідження продуктів синтезу проводили на скануючому електронному мікроскопі Superprobe 733 та на рентгенівському дифрактометрі ДРОН-ЗМ. в СuКa випромінюванні. Нановолокна SiC, виготовлені при вказаних у Прикладі 1 параметрах, представлені на Фіг.1. На Фіг.1а показано морфологію продуктів синтезу ділянки стальної підкладки розміром 40x70мкм2. Видно, що по всій поверхні розташовані нановолокна приблизно однакової структури. На Фіг.1а показаний фрагмент Фіг.1, збільшений в 6 разів. Нановолокна SiC, в основному, мають прямолінійну форму, а їх діаметр не перебільшує 100 нанометрів. Рентгенографічні дослідження (Фіг.2) показали, що продуктами синтезу є b-SiC нановолокна. Приклад 2. Нановолокна карбіду кремнію виготовлювали при температурі 1200°С протягом 10 хвилин, із парогазової суміші CH3SiCI3, Н2 та N2. В якості каталізатору використовували пластинку із Ст.3. Дослідження продуктів синтезу також проводили на скануючому електронному мікроскопі Superprobe 733. Крім нановолокон, що мають морфологію, аналогічну одержаній в Прикладі 1, виявили також кактусоподібні та дендритні типи нановолокон SiC (Фіг.3). На Фіг.3а показано кактусоподібні утворення нановолокон карбіду кремнію, які найбільш ймовірно утворені на виступі підкладки-каталізатору. На Фіг.3б показані дендритоподібні структури, утворені нановолокнами карбіду кремнію. Приклад 3. Нановолокна карбіду кремнію виготовлювали при температурі 1250°С протягом 5 хвилин, із парогазової суміші CH3SiCI3, Н2 та N2. В якості каталізатору використовували пластинку із Ст.3. Дослідження продуктів синтезу проводили на прсвічуючому електронному мікроскопі JCM 100 СХ. Нановолокна, в основному, мають прямолінійну форму, а їх діаметр виготовлених нановолокон SiC становить 30-80 нанометрів (Фіг.4). Приклад 4. Нановолокна карбіду кремнію виготовлювали при температурі 1230°С протягом 4 хвилин, із парогазової суміші CH3SiCl3, H2 та N2. В якості каталізатору використовували пластинку із нержавіючої сталі Х18Н9Т. Дослідження продуктів синтезу проводили на сканую чому електронному мікроскопі Superprobe 733. Морфологія продуктів синтезу по Прикладу 4 показана на Фіг.5. Осад на пластинці-каталізатору складається як з окремих нановолокон, діаметр 5 яких становить 10-30 нанометрів, а довжина до 1мкм, так і з їх консолідованих продовгуватих утворень. Вищеописані приклади показують, що даний спосіб дає змогу синтезувати нановолокна карбіду кремнію, діаметр яких не більше 100 нанометрів. Нановолокна карбіду кремнію, завдяки комплексу підвищених властивостей, можуть бути успішно використані для виготовлення армованих композитних матеріалів, наприклад, для виготовлення композитів на основі кераміки, яка перспективна для високотемпературного застосування в машинобудуванні. Нановолокна карбіду кремнію можуть бути використані також в приладобудуванні для виготовлення напівпровідникових приладів, що можуть працювати при підвищених температурах та потужностях. 81534 6 7 81534 8