Российские ученые предложили простой и быстрый метод производства высококачественного карбида кремния из отходов деревообрабатывающей промышленности. Разработанный исследователями метод отличается быстротой реализации и низкой стоимостью исходного сырья. Исследование опубликовано в журнале Materials Chemistry and Physics.
Карбид кремния – тугоплавкое, химически стойкое, твердое вещество с полупроводниковыми свойствами. Он является синтетическим заменителем минерала муассанита, который обладает поразительной, близкой к алмазу, твердостью, не вступает в химические реакции с большинством кислот, выдерживает нагревание до 1500 °С и воздействие радиации, однако в природе практически не встречается.
Одна из сфер применения карбида кремния – металлургия: от добавок в сталеплавильном производстве до стойких огнеупоров для нагревательных агрегатов. Его твердость делает из карбида кремния отличный абразив, который применяют для шлифовки и пескоструйной обработки. Его также используют в ювелирной промышленности, строительстве, в оборонной отрасли для изготовления бронежилетов, в автомобилестроении и многих других областях.
В числе преимуществ биоморфных карбидов то, что они производятся из вторичных продуктов, полученных из возобновляемого сырья. Сегодня их получают из различных видов древесины и зерновых, включая дуб, сосну, бук, липу, кукурузу и просо. Предпринимаются попытки производства карбидов также из древесно-волокнистых плит, бумаги, различных видов ДСП, производных бамбукового волокна и т.д.
Но на сегодняшний день методы производства биоморфного карбида кремния имеют ряд недостатков, не позволяющих получать конечный продукт со стабильными эксплуатационными характеристиками. Кроме того, традиционные методы производства карбида кремния из угля довольно времязатратны.
Группа российских ученых из НИТУ «МИСиС» и Томского политехнического университета разработала метод получения карбида кремния из древесного угля и кремния в плазме низковольтной электрической дуги постоянного тока при комнатной температуре с использованием электродугового реактора с графитовыми электродами.
Исследователи установили, что тройная обработка исходного материала в плазме электрической дуги на протяжении 25-30 секунд под напряжением в 220 ампер позволяет добиться полной трансформации кремния в его карбид. Полученную фазу карбида кремния можно очистить от продуктов синтеза путем отжига в атмосферной печи при температуре 800 °C. При этом для синтеза карбида не требуется ни вакуум, ни инертные газы. Сам процесс синтеза занимает от нескольких секунд до пары минут, что является существенным преимуществом предложенного метода. Кроме того, в качестве первичного источника угля были использованы отходы деревообрабатывающей промышленности.
«Не всегда ученым удается получить полезный, дорогой продукт из дешевого вторичного сырья. В данном случае нам удалось синтезировать дорогостоящий, ценный карбид кремния из бросовых древесных отходов. Предложенный нами метод позволит не только снабжать промышленность высококачественным карбидом кремния с меньшими временными и финансовыми затратами, но и утилизировать отходы деревообрабатывающей промышленности», — отмечает один из авторов исследования д.т.н., профессор Александр Громов, заведующий лабораторией «Катализ и переработка углеводородов» НИТУ «МИСиС».
Полученные в результате порошки карбида кремния обладают оптимальными параметрами кристаллической решетки и морфологическими свойствами, сходными с древесным углем. При этом оксидный слой, который неизбежно образуется на материалах на основе карбида кремния, легко удаляется с помощью алкалинового раствора.