Процесс получения пространственно упорядоченных пироуглеродных структур водородным восстановлением тетрахлорида углерода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, кандидат технических наук Воробьева, Мария Вячеславовна

• Воробьева, Мария Вячеславовна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воробьева, Мария Вячеславовна

ВВЕДЕНИЕ.6

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.8 1.1 Пиролитический углерод. Его практическое значение.

Структура и свойства.3

1.1.1 Характеристика пироуглеродных материалов.8

1.1.2 Практическая значимость пиролитического углерода.10

1.1.3 Структура пиролитического углерода.12

1.1.3.1 Идеальные структуры графита.12

1.1.3.2 Кристаллографические формы углерода.16

1.1.3.3 Структура и свойства пироуглерода.19

1.2 Особенности промышленного способа производства углеродных материалов.29

1.2.1 Высокотемпературная обработка углеродных материалов.29

1.2.2 Углеродные волокна и ткани.33

1.2.2.1 Технология и свойства углеродных волокон.33

1.2.2.2 Пиролитические углеродные волокна.34

1.3 Методы нанесения пироуглеродных покрытий.35

1.3.1 Объемное уплотнение углеродных материалов пиролитическим г углеродом.35

1.3.2 Характеристика методов получения пироуглеродных покрытий — 3 7

1.3.3 Механизм и кинетика образования пироуглерода.43

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процесс получения пространственно упорядоченных пироуглеродных структур водородным восстановлением тетрахлорида углерода»

Развитие приоритетных направлений науки, технологий и техники, критических технологий Российской Федерации, инновационной базы экономики состоит прежде всего в создании новых материалов. Очевидно, что достигнутый уровень свойств материалов во многом определяет реализацию практически любой научно-технической идеи, создание конкурентоспособной, современной техники.

В перспективе создание новых технологий и изделий будет обеспечиваться современными материалами, высокие характеристики которых достигаются изменениями на молекулярном и атомарном уровнях. Мировая практика научно-технического прогресса свидетельствует о превалирующем значении научных исследований в области материаловедения—основным содержанием научно-технического прогресса современности является решение проблем создания новых материалов, обеспечивающих разработку научных основ принципиально новых и значительно более эффективных технологий, базирующихся на новейших достижениях конструирования материалов и в десятки раз превосходящих по основным технико-экономическим показателям традиционные технологии промышленных производств.

Критический анализ зарубежной и отечественной научно-технической и патентной информации на глубину 20 - 30 лет и прогнозов на перспективу 10-15 лет свидетельствует о постоянном росте как объема научных исследований, так и масштабов использования углеродных материалов. Графит, особенно пиролитический углерод (ПУ) и пирографит, принадлежат к числу распространенных, перспективных конструкционных и функциональных материалов, располагая широкой гаммой возможностей применения в различных отраслях науки, технологии и техники.

Целью настоящей работы является создание эффективного низкотемпературного CVD - процесса получения микрокристаллических пространственно упорядоченных пироуглеродных структур (ПУПС) высокой чистоты водородным восстановлением тетрахлорида углерода с повышенной скоростью осаждения и разработка на его основе технологии ПУПС на подложках различной химической природы и конфигурации.

Работа проведена в рамках гранта Президента РФ для поддержки молодых ученых и ведущих научных школ РФ № НШ - 1700.2003.3, Программы фундаментальных исследований ОХНМ РАН «Создание новых металлических, керамических, стекло-, полимерных и композиционных материалов» на 2003 - 2005 гг., в обеспечение выполнения работ по Программе ГНЦ РФ «Гиредмет» по приоритетным направлениям науки и техники РФ на 2002 - 2006 гг. и Проекта МНТЦ№ 1580.

Заключение диссертации по теме «Порошковая металлургия и композиционные материалы», Воробьева, Мария Вячеславовна

выводы

1. Впервые проведен термодинамический анализ системы С-С1—Н, позволивший определить границы термодинамической вероятности существования области твердого углерода в исследуемой системе и параметры, обеспечивающие максимальный выход ПУПС: температура процесса 1523 — 1573 К, мольное соотношение CCU :H2= 1: (4 — 50).

2. Установлен эффект трехмерного упорядочения структуры пироуглерода низкотемпературного синтеза, связанный с транспортом углерода за счет перемещения газовых составляющих низших соединений углерода и хлора.

3. Установлено, что путем увеличения количества подводимой реакционной смеси на единицу поверхности подложки и создания в пограничном слое сильного градиента температуры, скорость осаждения увеличена на полтора — два порядка по сравнению с аналогами при сохранении микрокристаллической структуры, газонепроницаемости покрытия и чистоты целевого продукта.

4. Разработан и прошел испытания на опытной базе ГНЦ РФ «Гиредмет» эффективный CVD — процесс получения пространственно упорядоченных пироуглеродных структур высокой чистоты водородным восстановлением тетрахлорида углерода в режиме рециркуляции основных компонентов. Получены опытные образцы, соответствующие по степени упорядоченности кристаллической структуры, содержанию лимитируемых примесей и плотности высокотемпературному пиролитическому графиту.

5. Разработаны научные принципы и практические рекомендации осуществления процессов осаждения пространственно упорядоченных пироуглеродных структур, карбида кремния и других углеродосодержащих материалов в едином технологическом рециркуляционном цикле, имеющие патентную защиту Российской Федерации: № 2149215, 20.05.2000 г., № 2199608, 27.02.2003 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воробьева, Мария Вячеславовна, 2004 год

1. Костиков В.И. Углерод углеродные композиционные материалы. //2-я Межд. конф. «Углерод: фундамент, проблемы науки, материаловедение, технология». Сб. тезисов. 2002. - М. - С.26.ш

2. Коулсон Ч. Валентность. М.: «Мир», 1965.

3. Шулепов С.В. Атом углерода и искусственный графит. — Челябинск.: Южно-Уральск. книжное изд-во, 1965.

4. Фиалков А.С. Углеграфитовые материалы. М.: Энергия, 1979.

5. Matuyama Е. //Nature. 1956, - v. 178, - № 4548, - p. 1459.

6. Курдюмов А.В., Малоголовец В.Г, Новиков Н.В, Пилянкевич А.Н., Шулман JI.A. Полиморфные модификации углерода и нитрида бора. М.: Металлургия, 1994. - 318 с.

7. Варема А., Кришна П. Полиморфизм и политипизм в кристаллах. Пер. с англ. / Под ред. А.С. Поваренных.- М.: Мир, 1969.

8. Уббелоде А.Р., Льюис Ф.А. Графит и его кристаллические соединения. Пер. с англ. / Под ред. Е.С. Головиной. М.: Мир, 1965, 256 с.

9. Saito Y. et al. //Phys. Chem. Solids. 1993. - v.54, - 1849. 10 Agnes Oberlin // Carbon. 2002. - V.40. - № 7.24. - P. 7 - 24.

10. Deiderich F., Rubin Y., Knobler C.B., Whetten Rh., Schrivor K.E., Houk P1 K.N. and Li J.// Science. 1989. - 245. - 1088.

11. Greer J.C., Itoh S. and Ihara S. //Chem. Phys. Lett.- 1994-v. 222, 612.

12. Terrones H., Terrones M and Hsu W.K. //Chem. Soc. Rev. 1995 v. 24. - 341.

13. Лозовик Ю.Е., Попов A.M // Успехи физических наук. 1997. -т. 167. -№ 7. -С. 751-773.

14. Волков Г.М., Калугин В.И. // Конструкционные материалы на основе графита. 1967. № 3. - С.96 - 103.

15. Печик В.К., Макаров К.И., Теснер П.А.//Химическая промышленность. 1964. -№11. -С.8.ф) 17. Марьясин И.Л., Теснер П.А.// Труды ВНИИГАЗ. 1961. №20. - вып.12. — С.195.

16. Morinobu Endo, Kensi Takeuchi, Kiyoharu Kobori, Katsushi Takahashi, Harold W. Kroto, A. Sarkar // Carbon. 1995. V. 33. - № 7. - P. 873 - 881.

17. Roger Taylor, G.John Langley, Harold W. Kroto, David R.M. // Nature. 1993. V. 366. - P. 728 - 731.

18. Kingon A.I., Davis R.F. // Proct. Int. Conf. Recent Dev. Spec. Steels & Hard. Mater. Pretoria. 1982. V.8. - P. 12 -19.

19. Obraztsov A.N., Pavlovsky I. Yu., Volkov A.P. // Carbon. 1982. V.20. -№427.— P. 31-36.

20. Fitzer E. // Carbon. 1998. V.25. - №2. - P.163 - 190

21. Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. М: Химия, 1972.

22. Лебедев Ю.Н., Шмакова Е.С., Сушин В.Н. //Изв. АН СССР.

23. Сер. Неорганические материалы. 1982, т. 18, -№ 5. -с. 792-794.

24. Фиалков А.С., Бавер А.И., Смирнов Б.М. и др.//Журнал структурной химии. 1965. - т.6. - №1. - С.66.

25. Теснер П.А., Тимофеева И.М.// Химическая промышленность. 1962. — №3. -С. 52.

26. Жуховицкий А. А., Шварцман Л. А. Физическая химия М.: Металлургия, 1987. - 688 с.