РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ (ОБЗОР)

В статье представлен краткий обзор промышленных технологий и результатов научных исследований процессов получения карбида кремния. Исследования по получению мелкодисперсного, пористого и наноразмерного карбида кремния проводятся в ведущих научно-исследовательских институтах и организациях мира. Среди научных задач, которые возникают перед исследователями, можно отметить снижение энергозатрат, повышение экологической безопасности промышленных технологий и чистоты готового продукта. Одним из перспективных способов получения карбида кремния является карботермическое восстановление капсулированного пироуглеродом кремнезема в реакторах с электротермическим псевдоожиженным слоем.

1. Лебедев А.А. О сравнении радиационной стойкости кремния и карбида кремния. – Физика и техника полупроводников [Текст] / А.А. Лебедев, В.В. Козловский // 2014, том 48, вып. 10. – C. 1329–1331.

2. Hrubcína L. Исследование радиоционной стойкости Siи SiCдетекторов на пучке ионов Хе. [Текст] / L. Hrubcína, Ю.Б. Гуровa, B. Zaťkob, О.М. Ивановa, С.В. Митрофановa, С.В. Розовa, В.Г. Сандуковский, В.А. Семинa, В.А. Скуратовa // Приборы и техника эксперимента. – 2018, № 6. – С. 5–7.

3. Cozzo C. SiC Cladding Thermal Conductivity Requirements for Normal Operation and LOCA Conditions. [Текст] / C. Cozzo // Prog. Nucl. Eng. 2018, 106, P. 278– 283.

4. Гребенник В.Н. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы – инновационное направления развитие атомной энергетики [Текст] / В.Н. Гребенник, Н.Е. Кухаркин, Н.Н. Пономарев-Степной // М.: Энергоатомиздат. 2008. – 136 с.

5. Ahn K. Safety Evaluation of Silicon Carbide and Zircaloy4 Cladding during a Large-Break Loss-of-Coolant Accident [Текст] / K. Ahn, K. Joo, S.P. Park // Energies. 2018, 11, 3324. – 13 p. https://doi.org/10.3390/en11123324

6. Silicon Carbide Market Size, Share & Trends Analysis Report By Product (Black & Green), By Application (Steel, Automotive, Aerospace, Military & Defense), By Region, And Segment Forecasts, 2020–2027. [Текст] Grand View Research is registered in the State of California at Grand View Research, Inc. San Francisco. 2020. – 94 p.

7. Cheung R. Silicon carbide microelectromechanical systems for harsh environments [Текст] / R. Cheung // Imperial College Press. 2006. – 181 p.

8. Takahiro Muranaka. Superconductivity in carrier-doped silicon carbide [Текст] / Takahiro Muranaka, Yoshitake Kikuchi, Taku Yoshizawa, Naoki Shirakawa, Jun Akimitsu // Science and Technology of Advanced Materials. Volume 9. 2008. – P. 4–8. https://doi.org/10.1088/14686996/9/4/044204

9. Хенит Г. Карбид кремния [Текст] / Г. Хенита, Р. Рол // пер. с англ.; М. Мир: 1972. – 349 с.

10. Pat. No. 17911 Great Britain. Synthese von SiC während des Schmelzprozesses. von Kohlenstoff und Aluminiumsilikaten. 1892.

11. Pat. No. 492767 US. Production of artificial crystalline carbonaceous materials / E.G. Acheson // Applicant and patent holder: E.G. Acheson, Assingor to the carborundum company. applic. date: 10.05.1892; publ. date: 28.02.1893.

12. Агеев О.А. Карбид кремния: технология, свойства, применения [Текст] / О.А. Агеев, А.Е. Беляев, Н.С. Болтовец, В.С. Киселев, Р.В. Конакова, А.А. Лебедев, В.В. Миленин, О.Б. Охрименко, В.В. Поляков, А.М. Светличный, Д.И. Чередниченко / Под общей редакцией член-корр. НАНУ, д.ф.-м.н., проф. Беляева А.Е., д.т.н., проф. Конаковой Р.В. // Харьков: «ИСМА». 2010. – 532 с.

13. Parmentier J. Formation of SiC via carbothermal reduction of a carbon –containing MCM-48 silica phase: a new route to produce high surface area SiC [Текст] / J. Parmentier et all. // Ceramics International, V.28, Issue 1, 2002. – P. 1– 7.

14. Coune G. and all, High porosity SiC prepared via a process involving an SHS stage [Текст] / G. Coune and all // Journal of the European Ceramic Society, Vol.23, Issue 11, 2003. – P. 1949–1956.

15. Yanjie Su. Carbon nanomaterials synthesized by arc discharge hot plasma [Текст] / Yanjie Su, Yafei Zhang // Carbon, Vol. 83. 2015. – P. 90–99.

16. Jieshan Qiu. Synthesis of carbon-encapsulated nickel nanocrystals by arc-dischargeof coal-based carbons in water [Текст] / Jieshan Qiu, Yongfeng Li, Yunpeng Wang, Zongbin Zhao, Ying Zhou, Yanguo Wang // Fuel, Vol. 83. 2004. – P. 615–617.

17. Jiang Zhao, Yanjie Su, Zhi Yang, Liangming Wei, Ying Wang, Yafei Zhang. Arc synthesis of double-walled carbon nanotubes in low pressure air and their superior field emission properties // Carbon. 2013. Vol. 58. – P. 92–98.

18. Yanjie Su. Low-cost synthesis of single-walled carbonnanotubes by low-pressure air arc discharge [Текст] / Yanjie Su, Hao Wei, Tongtong Li, Huijuan Geng, Yafei Zhang // Materials Research Bulletin. 2014. – P. 23–24.

19. Пак А.Я. Электродуговой синтез и очистка от углеродных примесей кубического карбида кремния в воздушной атмосфере [Текст] / А.Я. Пак, М. А. Рудмин, Г.Я. Мамонтов, О.А. Болотникова // Сверхтвердые материалы, № 3. 2018. – С. 3–12.

20. Пак А.Я. Влияние энергии на фазовый состав продукта безвакуумного электродугового карбида кремния [Текст] / А.Я. Пак, Г.Я. Мамонтов, О.А. Болотникова // Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования, Т. 19, № 2. 2018. – С. 165–176.

21. Кокорина А.И. Электродуговой синтез карбида кремния и получение высоконаполенного металломатричного композита на его основе [Электрон. текстовые дан.] / А.И. Кокорина, А.Я. Пак // Междисциплинарные проблемы аддитивных технологий: сборник тезисов V Всероссийского научного семинара, 5–6 декабря 2019, Томск. – С. 37–38.

22. Андриевский Р.А. Наноразмерный карбид кремния: синтез, структура, свойства [Текст] / Р.А. Андриевский // Успехи химии, № 78(9). 2009. – С. 889–900.

23. Севастьянов В.Г. Влияние природы прекурсоров высокодисперсного углерода на морфологию наночастиц карбида кремния [Текст] / В.Г. Севастьянов, Р.Г. Павелко, Н.Т. Кузнецов // Химическая технология, T. 1. 2007. – С. 12–17.

24. Павелко Р.Г. Синтез высокодисперсных форм карбида кремния [Текст] : дис. ... канд. хим. наук: 02.00.01: защищена 24.05.2007 / Павелко Роман Георгиевич. – М.: 2007. – 222 с.

25. Московских Д.О. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез нанопорошков карбида кремния [Текст] / Д.О. Московских, А.С. Мукасьян, А.С. Рогачев // Доклады Академии Наук. 2013. – Т. 449. – № 2. – С. 1–4.

26. Сафаева Д.Р., Титова Ю.В., Майдан Д.А. Получение карбида кремния по азидной технологии с использованием различных источников углерода [Текст] / Д.Р. Сафаева, Ю.В. Титова, Д.А. Майдан // Современные материалы, техника и технологии, № 6(14). 2017. – С. 129–133.

27. Кондратьева Л. А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез порошков нитридных композиций Si3N4-TiN, Si3N4-AlN, Si3N4-BN, AlN-BN, AlNTiN, BN-TiN с применением азида натрия и галоидных солей [Текст]: дис. ... докт. техн. наук: 01.04.17: защищена: 28.09.2018 / Кондратьева, Людмила Александровна. Самара: 2018. – 881 с.

28. Сивков А.А. Прямой плазмодинамический синтез ультра-дисперсного карбида кремния [Текст] / А.А. Сивков, Д.С. Никитин, А.Я. Пак, И.А. Рахматуллин // Письма в ЖТФ, Том 39. Вып. 2. 2013. – С.15–20.

29. Сивков А.А. Получение ультрадисперсного кристаллического карбида кремния методом плазмодинамического синтеза [Текст] / А.А. Сивков, Д.С. Никитин, А.Я. Пак, И.А. Рахматуллин // Сверхтвердые материалы, № 3. 2013. – С. 11–18.

30. Никитин Д.С. Плазмодинамический синтез нанодисперсного карбида кремния и возможность изменения характеристик продукта [Текст] / Д.С. Никитин, А.А. Сивков / Вектор науки ТГУ, №3. 2013. – С. 80–82.

31. Никитин Д.С. Плазмодинамический синтез нанодисперсного карбида кремния и управление составом продукта [Текст] / Д.С. Никитин // Материалы XХ Международной научно-практической конференции: «Современные техника и технологии» Секция 6: Материаловедение. 2014. – С. 71–72.

32. Manuel Alejandro Perez-Guzman. Growth and SelfAssembly of Silicon–Silicon Carbide Nanoparticles into Hybrid Worm-Like Nanostructures at the Silicon Wafer Surface [Текст] / Manuel Alejandro Perez-Guzman, Rebeca Ortega-Amaya, Yasuhiro Matsumoto, Andres Mauricio Espinoza-Rivas, Juan Morales-Corona, Jaime Santoyo-Salazar, Mauricio Ortega-Lopez // Nanomaterials, No. 8 (954). 2018. – P. 47–56. https://doi.org/10.3390/nano8110954

33. Liu, R. Large-scale synthesis of monodisperse SiC nanoparticles with adjustable size, stoichiometric ratio and properties by fluidized bed chemical vapor deposition [Текст] / R. Liu, M. Liu, J. Chang // Journal of Nanoparticle Research, No. 19. 2017. – P. 42–48. https://doi.org/10.1007/s11051-016-3737-y

34. Mita Dasog. Low temperature synthesis of silicon carbide nanomaterials using a solid-state method [Текст] / Mita Dasog, Larissa F. Smith, Tapas K. Purkait, Jonathan G. C. Veinot // Chemical Communication, No. 49. 2013. – P. 7004–7006. https://doi.org/10.1039/c3cc43625j

35. Ivanov P.A. Effective Carrier Concentration in Porous Silicon Carbide [Текст] / P.A. Ivanov, M.G. Mynbaeva, S.E. Saddow // Semicond. Sci. Technol., Vol. 19, No 3. 2004. – P. 319–322.

36. Matsumoto T. Blue-Green Luminescence from Porous Silicon Carbide [Текст] / T. Matsumoto, J. Takahashi, T. Tamaki, T. Furtagi // Applied Physics Letter, Vol. 64(2). 1994. – P. 226–228. https://doi.org/10.1063/1.111979

37. Shor J.S. Direct observation of porous SiC formed by anodization in HF [Текст] / J.S. Shor, J. Grinerg, B.Z. Weiss., A.D. Kzurz // Applied Physics Letters, Vol. 62. 1993 – P. 2836–2838.

38. Светличная П.А. Получение и свойства пористого карбида кремния [Текст] / П.А. Светличная, Н.Н. Московченко, П.В. Серба // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, № 1. 2005.– С. 53–57.

39. Сорокин Л.М. Особенности структуры пористого карбида крения, полученного электрохимическим травленим на положках 6H-SiC [Текст] / Л.М. Сорокин, Н.С. Савкина, В.Б. Шуман, А.А. Лебедев, Г.Н. Мосина, Дж. Хатчисон // Письма в ЖТФ, Том 28, вып. 22. 2002. – С. 23–31.

40. Hongsheng. Influence of sintering atmosphere on the performance of porous silicon carbide ceramics [Текст] / Hongsheng, Kaihong Zhang, Ziqiang Li, Xiaoxue Liu // Proceedings 4th International Conference on Machinery, Materials and Computing Technology. 2016. – P. 150– 155.

41. Ferraro, C., Garcia-Tunon, E., Barg, S., Miranda, M., Ni, N., Bell, R., Saiz, E. SiC porous structures obtained with innovative shaping technologies. [Текст] / C. Ferraro, E. Garcia-Tunon, S. Barg, M. Miranda, N. Ni, R. Bell, E. Saiz // Journal of the European Ceramic Society, Vol. 38, Issue 3. 2018. – P. 823–835. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.09.048

42. Бородуля В.А., Виноградов Л.М., Гребеньков А.Ж., Михайлов А.А. Синтез карбида кремния в электротермическом реакторе с кипящим слоем углеродных частиц [Текст] / В.А. Бородуля, Л.М. Виноградов, А.Ж. Гребеньков, А.А. Михайлов // Горение и плазмохимия, Т. 13, № 2. 2015. – С. 92–102.

43. Бородуля В.А. Карботермический синтез пористых порошков карбида кремния в реакторе электротермического кипящего слоя и перспективы его использования в полимерных композитах [Текст] / В.А. Бородуля, Л.М. Виноградов, А.Ж. Гребеньков, В.И. Дубкова, А.А. Михайлов, Т.И. Пинчук // Материалы 6-го Международного симпозиума «Пористые проницаемые материалы и технологии и изделия на их основе». 19–20 октября 2017 г., Минск. – С. 524–538.

44. Бородуля В.А. Синтез карбидокремниевых порошковых материалов карботермическим восстановление кремнезема в реакторе электротермического кипящего слоя [Текст] / В.А. Бородуля, Л.М. Виноградов, А.Ж. Гребеньков, А.А. Михайлов // Сборник научных статей «Порошковая металлургия в Беларуси: Вызовы времени». 2017. – С. 357–366.

45. Дубкова В.И., Наночастицы мелкодисперсного карбида кремния полученного в электротермическом кипящем слое – структурный модификатор термопластичных полимеров [Текст] / В.И. Дубкова, В.А.Бородуля, Л.М. Виноградов, С.М. Данилова-Третьяк, Л.Е Евсеева., Т.И. Пинчук // ИФЖ, Том 92, № 5. 2019. – С. 2291– 2305.

46. Евразийский патент ЕА № 027539, МПК С01В 31/36 (2006.01), С01В 31/00 (2006.01), B01J 8/00 (2006.01). Способ и установка для получения карбида кремния / В.А. Бородуля, Л.М. Виноградов, А.Ж. Гребеньков, А.А. Михайлов; заявитель и собственник патента: Государственное научное учреждение «Институт теплои масообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси». – № 20150055; заявл. 07.05.2015; опубл. 31.08.2017.

47. Пат. 146598 Україна, МПК C23C16/26. Спосіб одержання піровуглецю / К.В. Сімейко, В.О. Бородуля, С.Ю. Саєнко, К.В. Лобач, О.П. Кожан, В.М. Дмітрієв М.А. Сидоренко, Я.О. Івачкін, О.В. Марасін, С.С. Кустовський, Р.Є. Чумак; заявник і патентовласник: Інститут газу НАН України. – № u 202006806; заявл. 22.10.2020; опубл. 04.03.2021.

48. Пат. 133969 Україна, МПК (2019.01) C04B 3500, C04B 35/56 (2006.01) C01B 32/956 (2017.01). Спосіб одержання карбіду кремнію / К.В. Сімейко, Б.І. Бондаренко, В.А. Бородуля, Л.М. Виноградов, А.Ж. Гребеньков, О.П. Кожан, В.М. Дмітрієв, В.С. Рябчук, М.А. Сидоренко, І.О. Писаренко; заявник і патентовласник: Інститут газу НАН України. – № u 201811907; заявл. 3.12.2018; опубл. 25.04.2019.

49. Семейко К.В. Развитие некоторых сопутствующих технологий ядерных реакторов с газовым теплоносителем IV поколения / К.В. Семейко // Вестник Национального ядерного центра Республики Казахстан. – 2019. – Выпуск 3 (79). – С. 24–29.

50. Сімейко К.В. Науково-технологічні основи високотемпературних процесів у електротермічному псевдозрідженому шарі. дис. … докт. техн. наук. 05.17.08, захищена 26.03.2021 / Сімейко Костянтин Віталійович. Львів, 2021. – 391 с.