Получение тугоплавких соединений в плазме - Краснокутский Ю.И.
Скачать (прямая ссылка):
В плазме карбид титана получен тремя методами: переработкой газообразного сырья, переработкой сырья в капельно-жидком состоянии и переработкой стационарного слоя частичек. В качестве газообразного и жидкого титаносодержащего сырья использовался хлорид титана (IV), восстановителями служили газообразные и? жидкие углеводороды.
Рассмотрим результаты термодинамического расчета системы Ti — Cl — С — Н, отображающей переработку орида титана (IV) и углеводородов при высоких тем-Ратурах. Поскольку расчеты начинают с 1000 К, то при Гад Динамическом описании не учитывают в жидком или ^ообразном состоянии подаются исходные вещества в-дМУ (при этой температуре все они газообразны). п0дучВИСИМОсТЬ равновесного состава от температуры при ении карбида из хлорида титана (IV) и углеводо-
153-
fOAa приведена на рис. 65 124]. Карбид титана об-разуется только в конденсированной фазе, при-чем до 2200 К в ней содержится значительное количество углерода и только в интервале тем-
ператур 2300—3600 К может быть получен достаточно чистый продукт. Газовая фаза в этом интервале содержит,
¦jjjoo—ш JOOO т'к °/о (°б-): вод°Р°да ~ 66>
при температурах, превышающих 2500 К, а газообразный углерод — выше 3200 К. При охлаждении до температуры -меньше 1800 К возможно снижение выхода карбида за счет обратных реакций. Поэтому необходимо предусмотреть закалку конечных продуктов и их вывод из зоны контакта с отходящими газами.
Избыток водорода способствует повышению степени превращения хлорида титана (IV) в карбид. При 15-кратном избытке его достигается 98 %-я переработка хлорида титана (IV), но при этом возрастают энергозатраты. Оптимальные параметры процесса отвечают соотношению элементов Ti : С : Cl ; H = 1 ! 1 : 4 ^ 20, температуре •2300—2500 К и атмосферному давлению. В этих условиях степень переработки хлорида достигает 93 %, а энергозатраты на получение 1 кг карбида титана составляют 23 МДж/кг.
По первому методу газообразный хлорид титана (IV)' перерабатывали в плазме аргона и водорода.
Митани с сотрудниками [126] получал порошок кар-
= 0,1 МПа). ДОрОДЫ
хлороводорода ~ 31, а также непереработанных хлоридов ~ 0,5. Углеводороды (C2H2, C2H, CH2, CH) появляются в ней
. оч Параметры логарифмического распределения массы Тоб'иЦ*а „о размерам (см. формулу) [69]
радесті
во
'уд
Параметры
TiC TaC NbC TaN W
8,7 26,1 22,8 14,5
9,5
0,81 0,42 0,49 0,48 0,56
29,0 18,5 16,0 240,0 200,0
1,1
1,8
0,86
1,5
1.3
Применив глубокую очистку газов от следов влаги и кис-. лорода, авторам работы удалось получить достаточно чистый продукт. Он формировался на водоохлаждаемой медной трубке диаметром 30 мм в виде цилиндрического-слоя, окружающего струю плазмы, затем его нагревали в водороде при 770 К, удаляя хлориды возгонкой, после чего проводили химические и рентгеноструктурные исследования. Найдено, что на чистоту продукта влияют соотношение водорода с метаном и мощность плазменной струи. Наилучший результат получен при соотношении H2: CH4 = 3 и мощности 2,25 кВт.
Синтезированный порошок карбида титана имел черный цвет, состоял из отдельных частичек, представлявших собой кубические монокристаллы размером 10— 150 нм, с параметром кристаллической решетки 0,4327 нм, в нем содержалось, % (мае): 0,92 свободного углерода, °,98 кислорода и 19,57 связанного углерода. Размеры частичек порошка можно регулировать, изменяя состав газовой смеси и мощность плазменной струи.
В работах Ноеншвандера [127] изучена возможность получения карбида титана из хлорида титана (IV) и метана в струе водородной плазмы при свободной конденсации продукта в пространстве реактора.
Размеры частичек карбида титана и других порошков, полученных из хлоридов, подчиняются логарифмически формальному распределению, параметры которого приедены в табл. 25.
Характеристики продукта даны в табл. 26. Как и в чтоТаХ Титани, на микрофотографиях порошка видно, к° отДельные частички представляют собой хорошо за-стал аллизованные образования, имеющие четкую критическую огранку. Следует отметить, что продукт
155
26. Характеристика процессов получения карбида титана
«с OJ Физические каРакте поро
Плазмообразуюі газ Титаисодержаи сырье Восстановигелі Особенности получения параметр кристаллической решетки. HM І средний pas- I мер частичек, J HvI /
Аргон TiCl4 Водород, метан Сырье подавали в плазму, барботи-руя через жидкий TiCl4 смесь CH4 и H2. Порошок формировался на охлаждаемой медной трубке Порошок формировался в потоке газа и отделялся на фильтре Порошох получен путем воздействия плазмы на слой конденсированных реагентов 0,4327 Ю-150
Водород Водород TiCl4 TiO2 Бензин, бензол Сажа ПМ-15 * 0,4304 50—500 500-5000
* Данные не приведены.
подвергался дополнительной обработке при 1240 К в среде водорода, что привело, по-видимому, к некоторому укрупнению частичек и снижению величины 5УД. Однако полученные порошки, как и порошки, полученные Мита-ни, относятся к разряду ультрадисперсных.
Ко второму методу получения карбида титана можно отнести взаимодействие хлорида титана (IV) с бензином или бензолом в потоке плазмы водорода. Исходные вещества впрыскивали в плазму с помощью форсунок [1291. Схема реактора, используемого в этом процессе, приведена на рис. 66. Отличительной особенностью реактора является то, что реакционная камера, объем для осаждения и фильтры заключены в общий корпус, что делает аппаратуру более компактной и удобной в эксплуатации.