Pirinç kabuklarından karbotermik redüksiyon ve nitrürleme yöntemiyle SiC-Si3N4 seramik kompozit tozu sentezi

Abstract

Bu çalışmada Trakya (Enez) yöresine ait pirinç kabukları kullanılarak karbotermal redüksiyon ve nitrürleme yöntemiyle Silisyum karbür-Silisyum Nitrür (SİC-Sİ3N4) kompozit tozu sentezi yapılmıştır. îki aşamalı olarak yapılan sentezin ilk aşamasında pirinç kabukları, 700°C * de argon gazı altında piroliz edilmiştir. Elde edilen pirolize pirinç kabuğu öğütülerek < 53 um tane boyutuna indirilmiştir. îkinci aşamada ise pirolize pirinç kabuğu tozu SİC-Sİ3N4 kompozit tozu sentezinde başlangıç hammaddesi olarak kullanılmıştır. Pirolize pirinç kabuğunda stokiometrik olarak gerekli karbondan fazla serbest karbonun bulunması nedeniyle reaksiyon sıcaklığına, karbonmonooksit (CO) ve azot (N2) kısmi basınçlarına bağlı olarak SiC fazı da oluşabilmektedir. Deneysel çalışmalarda pirolize pirinç kabuklarından 10-50 l/saat arasında azot debilerinde, 1430-1490°C arasında tepkime sıcaklıklarında, 1-5 saat arasında tepkime sürelerinde çalışılarak SİC-Sİ3N4 kompozit tozu sentezlenmiştir. Reaksiyon parametrelerine bağlı olarak %3-16 SiC içeren SİC-Sİ3N4 seramik kompozit tozu elde edilmiştir.

Siliziumnitrid (Si3N4) hat gute Oxydation-und Korrosionbestândigkeit bei hohen Temperaturen, gleichzeitig ist es widerstandsfahig gegen thermischen Schock und hat eine niedrige Dichte. Siliziumnitrid behâlt seine Festigkeit und Hârte bei hohen Temperaturen. Deshalb wird Siliziumnitrid in der Produktion von bestimmten Automotorteilen, von Raketenteilen und von Flugzeugmotoren, die thermisch beansprucht werden. Als Werkzeug wird es bei der spanhebenden Arbeit als Schneidstift bevorzugt. a-Siliziumnitrid-Pulver von hoher Reinheit und kleiner PartikelgröPe kann durch karbothermische Reduktion und Nitridierung von pyrolysierten Reishülsen produziert werden. Bei diesem Verfahren ist es möglich die Produktion vom a-Siliziumnitrid-Pulver ekonomisch zu gestalten. Wahrend der Formgebung von Siliziumnitrid durch Sintern entsteht im allgemeinen eine glasige Phase, deren Entstehung auf Verwendung von Hilfsmaterialien zurückzuführen. Diese glasige Phase bringt eine Verschlechterung von mechanischen Eigenschaften bei 1200°C mit sich. Mit dem hinzugefügten Siliziumcarbid als disperse Phase in das Siliziumnitridaufbau kann die Bruchzâhigkeit und Bruchfestigkeit des Werkstoffs ziemlich gesteigert werden. a-Siliziumnitrid von hoher Reinheit und kleiner PartikelgröPe kann durch karbothermische Reduktion und VI Nitridierung von Reishülsen produziert werden. AuJJerdem haben pyrolysierte Reishülsen übermâpigen Kohlenstoff, wodurch Siliziumcarbid entstehen kann. Jedoch ist diese Entstehung von der Reaktionstemperatur, dem Teildruck von Kohlenmonooxid und Stickstoff abhângig. In den Versuchen wurden von pyrolysierten Reishülsen die Synthese von Siliziumcarbid-Siliziumnitrid Verbundwerkstoffpulver, der in den verschiedenen Proportionen Siliziumcarbid enthâlt, verwirklicht. Die Versuche wurden bei verschiedenen Stickstoff- Volumengeschwindigkeiten, Reaktionstemperaturen und Reaktionszeiten duchgeführt. Die Parameter, die die Entstehung von Siliziumcarbid und Siliziumnitrid beeinflussen, wurden in diesen Versuchen bestimmt. Als Rohstoff dienten Reishülsen, die von der Reisschâlanlage in Ayvansaray (Trakya-Gebiet) geliefert wurden. Physikalische und chemische Eigenschaften von Reihülsen sind in Tafel 1 angegeben. Tafel 1. Physikalische und chemische Eigenschaften von Reishülsen Reishülsen wurden bei 700°C und ArgonzuflufJ etwa 30 Minuten lang pyrolysiert/ dann gemahlen, und am Ende erhielt man pyrolysiertes Reishülsenpulver. Dieses pyrolysierte Reishülsenpulver hat 148.6 m2/g Oberflâche und das Molverhâltnis C/Si02 ist 5.2. Dies enthâlt 47.9% Si02 und 50% C. Die chemische Analyse von pyrolysierten Reishülsen wurde in Tafel 2 angegeben. Versuche wurden im Tammannofen (44 kVA, max. 3000°C ) verwirklicht..Vll Tafel 2. Die chemische Analyse von pyrolysierten Reishülsen In Bild 1 ist die Versuchsanordnung schematisch dargelegt. Die Röntgenfeinstrukturanalysen von Reishülsen, pyrolysierten Reishülsen und Siliziumcarbid- Siliziumnitrid-Pulvern wurden Mittels Rigaku Rint XRD Diffraktometer durchgeführt. Für die Fotos wurde Jeol JSM T-330 SEM verwendet. Die Oberflâchenmessung erfolgte mit einem Quanta Chrom BET-Gerât. In den Versuchen wurde die Volumengeschwindigkeit von Stickstoff mit einem auf Stickstoff geeichten DurchfluSmesser gemessen. Die Temperatur wurde mit dem Pt-PtRhl0 Thermoelement bestimmt. Andere Materialien sind Glasapparate und einige Sauren. Wahrend der Herstellung vom Siliziumcarbid- Siliziumnitrid-Pulver durch karbothermische Reduktion und Nitridierung unter StickstoffzufluP entsteht elementarer Silizium oder Siliziummonooxid. Dies kann mit der Reaktionsserie dargelegt werden, die zwei Schritt enthâlt. Der erste Schritt ist die Reduktion von Si02 zu SiO Si02 + C SiO + CO Si02 + CO = SiO + C02 Vlll il vS> LT ro k±- tn CD.H -p -p -H fÖ u o m a) ?p a>.M a> m o ö o > fO o (N -P I ^ı -P CO CO O) eg. g ?H r-{ XJ o ü g En 3 Q X! O co fO r-i m X! o co cd co (ti rH ^ W> (D Öl (D.H +J.P.H a (0 3 O c (d co ?s (0 2.s B>.rl +J (d ?s to.H Q n).O H.rl IX Der zweite Schritt ist die Nitridierung von SiO Oder Die Totalreaktion lautet; 3Si02 + 6C + 2N2 = Sİ3N4 + 6CO Siliziumcarbid kann bei Reaktionstemperaturen unter 1450°C und 1 atm. vom Sticfkstoffteildruck nicht entstehen. Aber Siliziumcarbid entsteht bei Reaktionstemperaturen tiber 1450°C. Dieses kann man auch aus thermodynamischen Gleicgewichtsdiagrammen von Si3N4, Si02 und SiC ersehen. AuPerdem enthalten Reishülsen fremde Bestandteile, wie Eisen oder Eisenverbindungen. In den Reaktionen von reduzierten Eisen mit elementarem Silizium entsteht ein Eutektikum. Die flilssige Phase von Eisen und Silizium kann Kohlenstoff auflösen, weshalb Siliziumcarbid von diesem eutektischen Aufbau niedergeschlagen wird. Wenn die Reaktionstemperatur höher als 1450°C ist, kann Siliziumcarbid entstehen. Die Bildungsreaktion von Siliziumcarbid ist unten angegeben. Sİ3N4 + 3C = 3SİC + 2N2 Nach der karbothermischen Reduktion und Nitridierung wurden Proben bei 700°C etwa 2 s tünden lang in einem anderem Of en aufbewahrt. Durch diesen Verfahrensschritt wird Kohlenstoff aus der Pulvermischung des Siliziumcarbides und Siliziumnitrides entfernt. AnschliePend wurden die Proben in eine die 10%'ige NaOH Lösung gegeben, um das NaSi02 der Pulvermischung herauszulösen. AnschliePend wurden die Mengen von SiC und Si3N4 durch die Röntgenanalyse bestimmt.