Российские ученые открыли новый способ получения карбида кремния

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.

Один из авторов исследования д. т. н., профессор Александр Громов, заведующий лабораторией «Катализ и переработка углеводородов» НИТУ «МИСиС», рассказал: «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».

Собственно, 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 °C 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 ДВП, 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.

Исследователи установили, что тройная обработка исходного материала в плазме электрической дуги на протяжении 25−30 секунд под напряжением в 220 вольт 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.

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.

В заключение профессор Громов отметил, что хотя и удалось экспериментально доказать, что карбид кремния можно получать новым, более эффективным способом, но другое дело, что от лаборатории до промышленного внедрения предстоит долгий путь.

Хотелось бы пожелать ученым пройти этот путь побыстрее. Выбирая между тем, пойдут ли ДВП и ДСП на производство пеллет для бетонных заводов или будут использоваться более безопасным для людей образом, наверняка все проголосуют за последнее. А кроме того, открытие московских и томских ученых, как представляется, сулит и немалые коммерческие перспективы на мировых рынках. Очевидно, что те, кто внедрит новый метод получения карбида, получат значительные конкурентные преимущества.