Искровое плазменное спекание объемных материалов на основе SiC из углеродистого остатка термической переработки рисовой шелухи

Abstract

Актуальность исследования связана с поиском путем полезного использования углеродистых остатков термической переработки рисовой шелухи, которые из-за высокого содержания кремния в неорганической части потенциально могут быть применены для получения карбида кремния - важного функционального материала для различных областей науки и техники. Полезная утилизация такого рода отходов позволит не только решить экологическую проблему, связанную с их неэффективным использованием и захоронением, но и получить полезные продукты в виде объемных керамических изделий на основе карбида кремния. Цель: получить объемные изделия на основе SiC из углеродистых остатков термической переработки рисовой шелухи методом искрового плазменного спекания с минимальным количеством дополнительных этапов обработки исходного сырья. Объекты: объемные изделия на основе SiC, полученные с использованием углеродистых остатков термической переработки рисовой шелухи. Образцы получены методом искрового плазменного спекания при температуре 1800 °C, давлении 60 МПа и времени выдержки 10 минут. Методы: искровое плазменное спекание; рентгеновская дифрактометрия (рентгенофазовый анализ); сканирующая электронная микроскопия; безвакуумный электродуговой метод синтеза. Результаты. Проведены экспериментальные исследования по оценке возможности прямого использования углеродистого остатка термической переработки рисовой шелухи в качестве прекурсора для синтеза карбида кремния в объемном (керамика) и дисперсном (порошок) виде. Реализована серия экспериментов по искровому плазменному спеканию углеродистого остатка термической переработки рисовой шелухи в исходном и размолотом виде, с добавками кварцевого песка SiO2, а также с использованием порошков на основе карбида кремния, синтезированных из углеродистого остатка безвакуумным электродуговым методом. Последний осуществляется в ходе одностадийного быстропротекающего процесса в воздушной среде и не требует применения системы вакуумирования. С его помощью получены дисперсные продукты с содержанием карбида кремния свыше 60 мас. %. Предварительные результаты продемонстрировали возможность получения объемных изделий и дисперсных порошков на основе карбида кремния с содержанием не менее 50 и 60 мас. %, соответственно, и свидетельствуют о перспективах дальнейшего повышения фазовой чистоты за счет оптимизации процессов искрового плазменного спекания и безвакуумного электродугового синтеза.

Relevance. The search for a useful application of carbonaceous residues of rice husks thermal processing. These residues due to high silicon content in the inorganic part can potentially be used to produce silicon carbide - an important functional material for various fields of science and technology. Useful utilization of this waste will allow not only solving the environmental problem associated with their inefficient application and formal disposal, but also obtaining value-added products in the form of SiC-based ceramics. Aim. To obtain SiC-based bulk products from carbonaceous residues of rice husk thermal processing by spark plasma sintering with a minimum number of additional stages of feedstock processing. Objects. SiC-based bulk products obtained using carbonaceous residues of rice husk thermal processing. The samples were obtained by spark plasma sintering at 1800°C, pressure of 60 MPa and holding time of 10 minutes. Methods. Spark plasma sintering; X-ray diffractometry (X-ray phase analysis); scanning electron microscopy; vacuumless arc discharge synthesis method. Results. The authors have carried out the experimental studies to assess the possibility of applying carbonaceous residue of rice husk thermal processing as a precursor for the synthesis of silicon carbide in bulk (ceramics) and dispersed (powder) forms. A series of experiments on spark plasma sintering of carbonaceous residue from rice husk thermal processing in the initial and milled form, with SiO2 silica sand additives, as well as with the use of silicon carbide powders synthesized from carbonaceous residue by vacuumless arc discharge method were implemented. The latter is performed within a one-stage fast-flowing process in an air environment and does not require the use of a vacuum system. Preliminary results demonstrated the possibility of obtaining bulk products and dispersed powders based on silicon carbide with a content of at least 50 and 60 wt %, respectively, and indicate the prospects of further increasing phase purity by optimizing spark plasma sintering and vacuumless arc discharge synthesis.