Спосіб виготовлення мікро- та нановолокон карбіду кремнію

Реферат: Винахід належить до галузі виготовлення волокнистих матеріалів. Спосіб виготовлення мікрота нановолокон карбіду кремнію, що включає газофазне осадження карбіду кремнію з метилтрихлорсилану на розігріту підкладку з застосуванням каталізаторів. Причому як підкладку та каталізатор використовується пінонікель, у порах якого рівномірно і в необхідній кількості ростуть мікро- та нановолокна карбіду кремнію, їх кількість регулюють температурою та часом синтезу, а синтез відбувається в температурному діапазоні 900-1300 °С протягом 1030 хв. Застосування підкладки у вигляді пластинки із пінонікелю дає змогу виростити мікро- та нановолокна карбіду кремнію, які рівномірно і в необхідній кількості розташовані в об'ємі підкладки. UA 110415 C2 (12) UA 110415 C2 UA 110415 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі виготовлення волокнистих матеріалів, а саме - мікро- та нановолокон карбіду кремнію, і може бути використаний при розробці армованих композитних матеріалів з полімерною, металевою та керамічною матрицями та при виготовленні фільтрів тонкого очищення газів та рідин. Відомий спосіб виготовлення мікроволокон карбіду кремнію, що включає реакцію вуглецевих волокон та монооксиду кремнію, генерованого з суміші кремнію та діоксиду кремнію при 12001300 °C в атмосфері аргону. Діаметр мікроволокон карбіду кремнію складав 100-300 нанометрів (Zhenyu Ryu, Jingtang Zheng, Maozhang Wang, Bijiang Zhang. Synthesis and characterization of silicon carbide whiskers // Carbon. - 2001. - 39. - P. 1929-1941). Недоліком цього способу є складність виготовлення мікроволокон, неможливість виготовлення нановолокон карбіду кремнію та неможливість рівномірного розміщення волокон в об'ємі підкладки. Відомий спосіб виготовлення нановолокон карбідів, що включає виготовлення нановолокон 3 SiC в такій послідовності. Кремнієву підкладку, розміром 10×10×1 мм , очищували ультразвуком з використанням етанолу, потім протравлювали протягом 3 хвилин в 3 % розчині HF кислоти. Потім шляхом розпилення в атмосфері аргону на підкладку осаджували тонкий шар Fe. Кремнієву підкладку з тонкою плівкою Fe встановлювали в кварцову горизонтальну трубку CVD апарата. Після цього кварцову трубку відкачували до вакууму близько 0,5 Тор, продували 3 3 воднем (100 см ) і СН4 (0,05 см ), після чого вакуум 40 Тор був досягнутий. Si підкладку нагрівали мікрохвильовою плазмою потужністю 420-550 Вт, а її температуру вимірювалася за допомогою оптичного пірометра, сфокусованого на поверхню кремнієвої підкладки. Час синтезу нановолокон SiC складав 6 годин, а температура підкладки була 800-1100 °C. Використовуючи цей метод, були виготовлені нановолокна, діаметр яких може змінюватися в межах від 8 до 50 нм. Ando Toshihiro, Gamo Mika and Zhang Yafei. 3C-SIC nanowhisker and synthesizing method and 3C-SiC nanowhiskers. Int. Cl. C01B 31/36, US Patent 7364714, Publ. 29.04.2008). Недоліком цього способу є складність виготовлення нановолокон, їх недостатня кількість та неможливість рівномірного розміщення нановолокон в об'ємі підкладки. Найбільш близьким способом виготовлення мікро- та нановолокон карбіду кремнію є спосіб виготовлення нановолокон карбіду кремнію, що включає газофазне хімічне осадження карбіду кремнію з метилтрихлорсилану (CH3SiCl3) на розігріту підкладку з застосуванням каталізаторів, а як підкладка та каталізатор використовується стальна пластинка, а синтез відбувається в температурному діапазоні 1150-1250 °C протягом 2-20 хв. При таких технологічних параметрах були виготовлені нановолокна карбіду кремнію, діаметр яких не перевищує 100-150 нанометрів. (Силенко П.М. Шлапак A.M., Рагуля А.В. Спосіб виготовлення нановолокон карбіду кремнію Пат. України. № 81534, Бюлетень № 1, публ. 10.01.2008 p.). Недоліками цього способу є неможливість виготовлення металевої пластинки, наповненої мікро- та нановолокнами карбіду кремнію. Задачею винаходу "Спосіб виготовлення мікро- та нановолокон карбіду кремнію" є розробка методу виготовлення мікро- та нановолокон карбіду кремнію, рівномірно і в необхідній кількості розміщених в порах пластинки із пінонікелю. Задача досягається тим, що як підкладку та каталізатор використовується пінонікель, у порах якого рівномірно і в необхідній кількості ростуть мікро- та нановолокна карбіду кремнію, їх кількість регулюють температурою та часом синтезу, а синтез відбувається в температурному діапазоні 900-1300 °C протягом 10-30 хв., причому підкладку із пінонікелю використовують у формі пластинки, товщина якої складає 1-2 мм. Застосування підкладки у вигляді пластинки із пінонікелю дає змогу виростити мікро - та нановолокна карбіду кремнію, які рівномірно і в необхідній кількості розташовані в об'ємі підкладки (по способу-прототипу волоконний карбід кремнію формується на поверхні стальної пластинки-каталізатора). Проведення синтезу нановолокон в температурному діапазоні 900-1300 °C протягом 10-30 хв. дає змогу отримувати монокристалічні карбідокремнієві мікро- та нановолокна, діаметр яких складає від 50 до 200 нанометрів. При температурі в діапазоні 900-1200 °C та часу синтезу 1030 хвилин синтезували переважно нановолокна карбіду кремнію (діаметр до 100 нанометрів), а при температурі 1300 °C та часу синтезу 30-60 хв. - переважно мікроволокна. Здійснення способу ілюструють фігури 1-3. На фігурі 1 показано підкладку із пінонікелю до осадження мікро- та нановолокон карбіду кремнію. На фігурі 2 показано підкладку із пінонікелю після осадження нановолокон карбіду кремнію при температурі 1100 °C протягом 30 хв.: а збільшення 40Х, б - збільшення 400Х, в - збільшення 4000Х. З фіг. 2 видно, що підкладка частково вкрита нановолокнами карбіду кремнію. На фігурі 3а та 3б зображено підкладку після осадження нановолокон карбіду кремнію при температурі 1200 °C протягом 30 хв. З фіг. 2а 1 UA 110415 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 видно, що нановолокна повністю заповнили об'єм підкладки. На фіг. 3в зображено мікроволокна карбіду кремнію, синтезовані при 1300 °C протягом 10 хв. Вказані вище обґрунтування здійснення способу показують наступні приклади. Приклад 1 Нановолокна карбіду кремнію отримували з парогазової суміші парів CH3SiCl3 тa водню на підкладку із пінонікелю, зображення якої представлено на фіг. 1. Температура підкладки становила 900 °C. Фарфоровий човник з пластиною із пінонікелю розміщували в проточному кварцовому реакторі, що знаходився в трубчатій пічці. Час синтезу становив 10 хв. Дослідження продуктів синтезу проводили на скануючому електронному мікроскопі Superprobe 733. Встановлено, що продуктом синтезу є короткі покручені нановолокна, довжина яких складає 510 мікрометрів, а діаметр - близько 100 нанометрів. Такі нановолокна рівномірно вкривають каркас із пінонікелю. Приклад 2 Нановолокна карбіду кремнію осаджували на підкладку із пінонікелю при температурі 1000 °C протягом 10 хвилин з використанням як парогазової суміші парів CH 3SiCl3 та водню. Нановолокна карбіду кремнію рівномірно вкривають підкладку, товщина шару нановолокон збільшується, довжина їх становить 10-15 мікрометрів, а діаметр - 50-100 нанометрів. Приклад 3 Нановолокна карбіду кремнію осаджували на підкладку із пінонікелю при температурі 1100 °C протягом 30 хвилин з використанням як парогазової суміші парів CH 3SiCl3 та водню. СЕМ-зображення нановолокон карбіду кремнію, виготовлених при вказаних у Прикладі 3 параметрах, представлені на фіг. 2. Як видно з креслення, кількість волокон в порах пінонікелю збільшена в порівнянні з попередніми прикладами, довжина волокон становить 10-20 мікрометрів, а їх діаметр - 80-110 нанометрів. Приклад 4 Нановолокна карбіду кремнію осаджували на підкладку із пінонікелю при температурі 1200 °C протягом 30 хвилин з використанням як парогазової суміші парів CH3SiCl3 та водню. СЕМ-зображення нановолокон карбіду кремнію, виготовлених при вказаних у Прикладі 4 параметрах, представлені на фіг. 3а та 3б. Як видно з рисунку, нановолокна повністю заповнюють пори пінонікелю, довжина волокон становить 15-25 мікрометрів, а їх діаметр - 90120 нанометрів. Приклад 5 Нановолокна карбіду кремнію осаджували на підкладку із пінонікелю при температурі 1300 °C протягом 10 хвилин з використанням як парогазової суміші парів CH 3SiCl3 та водню. СЕМ-зображення нановолокон карбіду кремнію, виготовлених при вказаних у Прикладі 5 параметрах, представлені на фіг. 3в. Результати СЕМ-досліджень показали, що волокна повністю заповнюють пори пінонікелю, довжина волокон становить 15-25 мікрометрів, а їх діаметр - 0,1-0,2 мікрометра. Вищеописані приклади показують, що даний спосіб дає змогу синтезувати мікро- та нановолокна карбіду кремнію. Діаметр та довжина отриманих нановолокон становлять 50-100 нанометрів та 5-20 мікрометрів, а мікроволокон - відповідно 0,1-0,2 мікрометра та 15-25 мікрометрів. Нановолокна карбіду кремнію, завдяки комплексу підвищених хімічних та механічних властивостей, можуть бути успішно використані для виготовлення армованих композитних матеріалів та для створення високоефективних фільтрів тонкого очищення газів та рідин, причому такі фільтри можуть працювати в умовах високих температур та агресивних середовищ. Використання пінонікелю як підкладки дає змогу одержувати пластини з заданою кількістю мікро- та нановолокон (аж до повного заповнення пор пінонікелю). Такі пластини можна використовувати для армування композитних матеріалів з рівномірним розподілом армуючої фази та для виготовлення фільтрів тонкого очищення газів та рідин. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Спосіб виготовлення мікро- та нановолокон карбіду кремнію, що включає газофазне хімічне осадження карбіду кремнію з метилтрихлорсилану на розігріту підкладку з застосуванням каталізаторів, який відрізняється тим, що як підкладку та каталізатор використовують пінонікель, а осадження здійснюють у його порах, при цьому синтез проводять в температурному діапазоні 900-1300 °C протягом 10-30 хв. 2. Спосіб за п. 1, відрізняється тим, що підкладку із пінонікелю використовують у формі пластинки, товщина якої складає 1-2 мм. 2 UA 110415 C2 3 UA 110415 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4