Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология тугоплавких неметаллических материалов

Диссертационная работа:

Савченко Наталья Сергеевна. Синтез и исследование свойств конструкционных и функциональных материалов на основе оксида кремния (IV) : диссертация ... кандидата технических наук : 05.17.11 / Савченко Наталья Сергеевна; [Место защиты: Том. политехн. ун-т]. - Красноярск, 2008. - 127 с. : ил. РГБ ОД, 61:08-5/403

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1 Современное состояние производства материалов на основе
диоксида кремния
10

1.1 Конструкционная керамика на основе оксида кремния (IV) 10

  1. Сырье для кварцевых керамических изделий 1 1

  2. Методы формования керамики на основе Si02 12

  3. Методы изготовления кварцевых тиглей для полупроводниковой отрасли промышленности 20

1.2 Синтез Si02 с использованием золь-гель технологии 23

  1. Физико-химические основы золь-гель метода 23

  2. Связующие для керамического производства 26

  3. Приготовление связующего на основе ЭТС 30

  1. Мезопористые силикатные материалы и их особенности 33

  2. Постановка цели и задач работы 39

Глава 2 Исходные материалы. Методы и методики исследований 41

  1. Исходные материалы 41

  2. Методы исследований 41

  3. Методика проведения исследований 43

  1. Измерение вязкости золей и шликера 43

  2. Определение плотности керамических образцов 44

  3. Исследование процесса спекания 45

  4. Синтез мезоструктурированных мезопористых силикатов (МСМ-41) 46

  5. Методика рентгенофазового анализа 47

  6. Определение электропроводности композитов на основе МСМ-41 48

  7. Погрешности измерений 49

2.3.8 Структурно-методологическая схема проведения исследований
50

Глава 3 Золь-гель синтез диоксида кремния с использованием
тетрахлорсилана и кремнийорганических соединений
52

  1. Золь-гель синтез диоксида кремния с использованием тетрахлорсилана 52

  2. Получение порошка диоксида кремния методом гидролиза

кремнийорганических соединений 61

Глава 4 Исследование и разработка технологических режимов получения
керамических изделий из синтетического оксида кремния
74

  1. Изучение свойств шликера на основе синтетического оксида кремния 74

  2. Исследование и разработка технологических режимов формования и обжига тиглей 81

  3. Формирование керамических изделий с использованием

продуктов гидролиза кремнийорганических соединений 87

Глава 5 Синтез висмутосодержащих ионопроводящих композитов на основе мезоструктурированных мезопористых силикатов типа МСМ-41.98

  1. Получение и исследование свойств плёнок твердых оксидных электролитов 98

  2. Получение и исследование свойств комбинированных материалов

конструкционно-функционального типа 100

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 107

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 109

ПРИЛОЖЕНИЯ 122

Введение к работе:

Конструкционные материалы на основе диоксида кремния обладают большой термостойкостью, постоянными стабильными электрофизическими свойствами, высокими теплоизоляционными, характеристиками и низким коэффициентом термического линейного расширения. Благодаря уникальному сочетанию свойств они применяются в черной и цветной металлургии, химической, атомной и ракетной промышленности, а также, в полупроводниковой технике в качестве тиглей для плавления кремния.

Современное производство ориентировано как на выпуск «солнечного кремния», так и кремния полупроводникового качества. Технология монокристаллического кремния в настоящее время базируется на использовании большегрузных ростовых установок, рассчитанных, на использование тиглей диаметром до 406 мм. Отечественные производители не в состоянии обеспечить рынок данной продукцией, в связи с этим тигли больших размеров приходится приобретать за рубежом. Стоимость изделий составляет, приблизительно, четыреста долларов. Соответственно этому, при средней массе кристалла около 40 кг «доля тигля» в себестоимости монокристаллического кремния приближается к 10 долл. в расчете на 1 кг. Очевидно, что одним из факторов снижения себестоимости монокристаллического кремния является создание отечественного производства кварцевых тиглей.

Изготовление тиглей для плавления кремния в настоящее время осуществляется в основном по технологиям, заключительной стадией которых является «остекловывание» изделия. Полученные таким образом тигли обладают двумя существенными недостатками:

1) В процессе эксплуатации они разрушаются, так как аморфный диоксид кремния при высокой температуре рекристаллизуется в кристобалит, вызывая локальные изменения объема.

2) Высокая стоимость тиглей, обусловленная особенностями техники формования, а также дефицитность используемого сырья (например, высокочистой кварцевой крупки).

Первый из указанных недостатков можно устранить путем замены «стекольной» технологии на «керамическую» [1]. Вследствие формирования изделия по «керамической» технологии ' значительно уменьшается вероятность разрушения, так как появляющиеся микротрещины локализуются в объеме отдельных зерен, имеющиеся микропоры также предотвращают распространение трещин.

Недостаток «стекольной» технологии, связанный с высокой стоимостью получаемых тиглей, можно исключить или уменьшить двумя путями:

- применением более эффективных и простых методов формования
тиглей, например, шликерного литья, получившего в последнее время
широкое распространение при производстве керамических изделий из кварца
различного назначения [2, 3];

- использованием синтетического сырья, полученного эффективными и
экономичными способами.

Для получения синтетического диоксида кремния предлагается золь-гель метод, основанный на гидролизе тетрахлорсилана, который сегодня обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с другими видами сырья. Это обусловлено тем, что современная полупроводниковая промышленность перешла на использование трихлорсилана. В связи с этим SiCU, образующийся в процессе водородного восстановления SiHCb, и обладающий такой же высокой (полупроводниковой) чистотой, нуждается в утилизации или конверсии в трихлорсилан. Таким образом, предлагаемая технологическая схема, наряду с проблемами дефицитности сырья, решает параллельно экологическую проблему, связанную с переработкой токсичных отходов полупроводникового производства и повышает его технико-экономические показатели.

В последнее время возможности дизайна оксидных силикатных материалов распространились на нанометровый диапазон. Созданы принципиально новые системы на основе оксида кремния [4]. К их числу относятся мезоструктурированные мезопористые силикаты. Регулярное распределение пор- по размерам, высокие площадь поверхности и объем порового пространства создают хорошие перспективы использования мезопористых материалов для создания уникальных материалов функционально-конструкционного типа.

Тем;не менее, проблемы синтеза диоксида кремния и получения на его основе разнообразных материалов с заданными эксплуатационными характеристиками далеки еще от своего окончательного разрешения.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с научным направлением работ кафедры-лаборатории «Физико-химия процессов и материалов» Сибирского федерального университета-по госбюджетной теме «Физико-химические исследования металлургических процессов и неорганических материалов»; в рамках индивидуального гранта для молодых ученых на 2006 год (per. № 16G219); а также в рамках тематического плана научно-исследовательских работ Министерства образования и науки РФ «Исследование ионного переноса в оксидных висмутсодержащих фазах и создание композиционных ионопроводящих материалов на их основе» на 2006-2010 годы (per. № 01200605477).

Цель работы: разработка составов и технологии получения силикатных керамических материалов и изделий различного назначения на основе диоксида кремния, синтезированного золь-гель методом.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- исследование физико-химических процессов получения

синтетического диоксида кремния с контролируемыми свойствами с

использованием тетрахлорсилана и кремнийорганических соединений;

изучение влияния режимов формования и обжига керамики, полученной на основе синтетического сырья, на ее микроструктуру и эксплуатационные характеристики;

разработка способов регулирования скорости процесса спекания и микроструктуры керамических изделий из SiCb;

проведение и исследование реакций синтеза ионопроводящих фаз на основе оксида висмута в порах мезоструктурированных мезопористых силикатных материалов.

Научная новизна работы

  1. Установлено, что устойчивый золь диоксида кремния образуется при объемном соотношении H20:SiCl4=6:l, стабилизация температуры дисперсионной среды при 313±10 К способствует коагуляции и формированию геля, сушка и отжиг которого приводит к получению аморфного высокочистого оксида кремния, необходимого для приготовления литейного шликера.

  2. Установлено, что минимальная вязкость и максимальная плотность шликера на основе синтетического диоксида кремния достигается при концентрации твердой фазы, равной 65 масс. %, в интервале рН от 1 до 3,5, а также при рН=10-12, что обеспечивает плотность готового изделия 1950 кг/м3.

3. Впервые установлена возможность синтеза оксидных
висмутсодержащих ионопроводящих фаз типа BixLnyOz в порах
мезоструктурированного мезопористого силиката, полученного золь-гель
методом. Последовательность стадий, включающая пропитывание
мезопористой матрицы растворами нитратов висмута и лантаноидов,
взятых в стехиометрических соотношениях, и термолиз в интервале
температур от 723 К до 773 К, приводит к формированию
комбинированных ионопроводящих систем конструкционно-
функционального типа с проводимостью по кислороду.

Практическая значимость работы

Разработаны технологические режимы синтеза порошка высокочистого оксида кремния с использованием тетрахлорсилана и кремнииорганических соединений.

На основе выявленных закономерностей влияния свойств шликера на эксплуатационные характеристики керамических изделий впервые показана возможность изготовления тиглей для полупроводникового производства из полученного синтетического сырья.

Предложены способы использования продуктов золь-гель синтеза SiCb в качестве связок для формирования изделий различного назначения, в том числе, волластонитовой керамики, применяемой для изготовления огнеупорных элементов литейной оснастки в алюминиевой промышленности.

Разработан метод синтеза ионопроводящих систем на основе мезопористой матрицы типа МСМ-41. Получены комбинированные ионопроводящие материалы, которые могут быть использованы при создании разнообразных электрохимических устройств.

На защиту выносятся:

- научно и экспериментально обоснованные составы и технологические
режимы, необходимые для получения синтетического диоксида кремния с
контролируемыми свойствами;

- новые сведения о влиянии режимов формования методом шликерного литья
и обжига керамики из синтетического SiCb на ее микроструктуру и
эксплуатационные характеристики;

- закономерности процессов синтеза ионопроводящих систем на основе
мезопористых материалов МСМ-41.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные материалы, технологии, конструкции - экономика» (Государственный университет цветных металлов и золота, г. Красноярск, 2004 г.); Научная конференция молодых ученых «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Институт химии и химической технологии СО РАН, г. Красноярск, 2006 г.); Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Государственный университет цветных металлов и золота, г. Красноярск, 2006 г.); Межрегиональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Государственный университет цветных металлов и золота, г. Красноярск, 2006 г.); Международная научная конференция «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (г. Томск, 2006 г.); Межрегиональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование технологий производства цветных металлов» (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, 2007 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи и 6 тезисов докладов, положительное решение о выдаче патента, отражающие научные и практические результаты работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация, изложенная на 127 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка из 121 наименования, содержит 14 таблиц, 56 рисунков, 5 приложений.

Подобные работы
Лисеенко Ольга Владимировна
Технология и физико-химические свойства тонкопленочных материалов на основе двойных оксидов Ta2O5La2O3
Борило Лариса Николаевна
Технология и физико-химические свойства тонкопленочных материалов на основе системы двойных оксидов ZrO2-GeO2
Бородина Инна Александровна
Технология и физико-химические свойства композиционных материалов на основе природных силикатов и ненасыщенных полиэфирных смол
Заболотская Анастасия Владимировна
Технология и физико-химические свойства пористых композиционных материалов на основе жидкого стекла и природных силикатов
Першикова Елена Михайловна
Проницаемая керамика на основе оксида алюминия и карбида кремния с различными упрочняющими добавками
Галлямов Ринат Талгатович
Разработка технологии получения и исследование свойств уплотнительных срабатываемых покрытий на основе стабилизированного диоксида циркония
Спицын Валерий Владимирович
Разработка состава и исследование свойств тампонажного цемента низкотемпературного твердения
Боброва Галина Ивановна
Слюдофосфатные материалы. Технология, свойства, применение
Грязнов Роман Васильевич
Технология и свойства тонкопленочных материалов ZrO2 - SiO2
Красный Борис Лазаревич
Огнеупорные и строительные материалы на основе фосфатных связующих

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net