Термодинамическое моделирование количественных отношений фаз, сосуществующих в процессе карбо-термического синтеза P-SiC

Abstract

Уникальные свойства карбида кремния в виде ультрадисперсных порошков обусловливают его широкое применение в качестве различных наполнителей и модификаторов сплавов, керамических и металлокерамических материалов, защитных покрытий различного назначения. В настоящее время практически весь ультрадисперсный порошок карбида кремния получают из модификации a-SiC, синтезированного по многостадийной технологии методом Ачесона. Текущая тенденция развития технологий синтеза SiC направлена на получение порошков карбида кремния 3C-SiC(P) модификации, обладающей более привлекательными характеристиками. Данный аспект определяет актуальность исследований, направленных на разработку и апробирование эффективных технологий получения ультрадисперсных порошков карбида кремния 3C-SiC(P) модификации. В работе приведены результаты термодинамического моделирования фазовых равновесий, реализующихся в системе Si-O-C для сечения C-SiO2 в диапазоне температур 1400-1900 °С при различных отношениях количества углерода и оксида кремния. В процессе проведённых расчётов учитывалась возможность появления в системе газовой фазы и жидких кремния, углерода и оксида кремния. Теоретически определены доли основных компонентов, объем и состав газов, образующихся в ходе синтеза. В соответствии с результатом расчета фазовых диаграмм образование газообразных продуктов взаимодействия наблюдается только при температуре выше 1514 °C. Основным компонентом газовой смеси, образующейся в процессе синтеза в зоне реакции, является угарный газ. Среди других компонентов газовой смеси можно выделить монооксид кремния и углекислый газ. Содержание других компонентов, среди которых преобладают кремнийсодержащие, является несущественным. При соотношении C/(SiO2+C) > 0,37 в газовой фазе имеет место скачкообразное снижение содержания всех газов-примесей Полученные данные создают теоретическую основу для выбора оптимальных условий для создания устойчивой автономной защитной атмосферы при проведении карботер- мического синтеза карбида кремния 3C-SiC(P) модификации, что обеспечивает надежную теоретическую основу энергоэффективного карботермического метода синтеза микроразмерного SiC из чистого природного кварца и графита без использования внешней защитной атмосферы. The unique properties of silicon carbide in the form of ultrafine powders make it widely used as various fillers and alloys modifiers, ceramic and metal-ceramic materials, protective coatings for various purposes. Currently, almost all ultrafine silicon carbide powder is obtained from a-SiC modification, synthesized by Acheson multistage technology. The current trend in the development of SiC synthesis technologies is aimed to obtain the silicon carbide powders from 3C- SiC(P) modification, which has more attractive characteristics. This aspect determines the research relevance, focused on the development and testing of effective production technologies of ultrafine powders from 3C-SiC(P) silicon carbide modification. In this work, the thermodynamic modeling of phase equilibria are presented for Si-O-C system with C-SiO2 section in the temperature range 1400-1900 °C at different ratios of carbon and silicon oxide. For this calculations, the possible formation of gas phase and liquid silicon, carbon and silicon oxide in the system was taken into account. The ratios of main components, as well as the gases volume and composition formed during the synthesis are theoretically determined. In accordance to phase diagrams, the formation of gaseous interaction products is observed only at temperatures above 1514 °C. Carbon monoxide is determined as the main component of the gas mixture formed during the synthesis in the reaction zone. Other components of the gas mixture include silicon monoxide and carbon dioxide. The content of other components, among which silicon-containing ones prevail, is insignificant. With the ratio C/(SiO2+C) > 0.37 in the gas phase, there is an abrupt decrease in the content of all impurity gases. The obtained data provide a theoretical basis for the selection of optimal conditions in order to form of a stable autonomous protective atmosphere during the car- bothermal synthesis of 3C-SiC(P) silicon carbide modification. It provides a reliable theoretical basis of an energy-efficient carbothermal method for the synthesis of micro-dimensional SiC from pure natural quartz and graphite without the use of an external protective atmosphere.