Некоторые особенности процесса получения карбида кремния в промышленной электропечи сопротивления

Механизм процесса образования карбида кремния

Термодинамический анализ систем SiC>2 — С и SiCb — Si С, проведенный в работе [11], позволил заключить, что образование SiC в условиях промышленного получения карбида кремния происходит через взаимодействие углерода с оксидом кремния SiO.

И.В. Рябчиков указывает на три основные температурные диапазоны реакции SiC>2 + С:

• 1) до 1793 К лимитирующей стадией является реакция образования псевдоморфозы SiC по углероду;
• 2) в диапазоне 1793 -г- 1893 К лимитирующей является реакция SiO + C;
• 3) выше 1903 К лимитирующим фактором служит диффузия паров SiO и газа СО через поры углеродистого восстановителя.

По данным термодинамического анализа системы Si02 — С [11] началом синтеза SiC в промышленной электропечи сопротивления следует считать реакции:

В работах X. Цеппелина началом процесса синтеза SiC также считается реакция (2.1), но наряду с этим автор указывает и на возможность протекания и ряда других реакций в условиях меняющихся температурных условий:

При этом реакция (2.5) протекает при температуре 2470 К, а реакция (2.6) — в наиболее горячей зоне печи.

Исследования, проведенные И. С. Кац [31] показали, что в условиях промышленного производства карбида кремния синтез SiC протекает по следующей схеме, отражающей основной процесс:

Одновременно с этим идут и побочные процессы:

Побочные процессы (2.8) и (2.9) способствуют улету SiO. При этом наблюдается образование SiC за счет процесса (2.6), реализующегося путем силицирования углерода кремнием, полученным термическим разложением SiC в зонах высоких температур печи.

Основной процесс, идущий по схеме (2.7), согласно данным [31], протекает при использовании кварцевого сырья крупностью 0,1 — 10 мм и нефтяного кокса крупностью 0-^2 мм.

В диапазоне температур 1900 -s- 2300 °C (2173 ч- 2573 К) в печи происходит перекристаллизация образовавшегося при более низких температурах р — SiC в, а — SiC. При этом перекристаллизация происходит через газовую фазу, что облегчает проникновение паров кремния к поверхности реликтов углерода и способствует протеканию реакции (2.6), которая является вторичным процессом. Степень развития процессов (2.7 — 2.9) и (2.6) зависит, главным образом, от крупности шихтовых материалов и режима нагрева шихты.

Проведенные исследования в работе [31] и детальный анализ данных литературы о механизме взаимодействия кремнезема с углеродом указывает на решающую роль в этом процессе SiO, образование которого сводится различными авторами к рассмотрению начальных стадий взаимодействия: одни авторы считают началом взаимодействия диссоциацию Si0₂ на SiO и кислород, другие — взаимодействие Si02 с углеродом в твердой фазе с образованием Si02 и третьи — возгонку Si02 с последующей его адсорбцией на твердом углероде и взаимодействию с ним.