Способ получения раствора металлического кремния, способ получения металлического кремния из раствора и металлический кремний, полученный на основе этих способов, способ получения керамических материалов и керамический материал, полученный на основе этого способа

Способ получения раствора металлического кремния, способ получения металлического кремния из раствора и металлический кремний, полученный на основе этих способов, способ получения керамических материалов и керамический материал, полученный на основе этого способа

Реферат

 

Изобретение относится к технологии получения материалов, а именно к технологии получения поликристаллического кремния и его химических соединений - карбида и нитрида - из природных кремнийсодержащих концентратов. Сущность изобретения заключается в способе получения металлических растворов кремния, включающем выделение кремния из кремнийсодержащих соединений, преимущественно из оксидов, его транспортировку связывающим носителем и растворение его в металлических расплавах. Металлический кремний при этом получают путем перекристаллизации сырья в виде металлических растворов кремния при пониженных давлениях среды. Полученный металлический кремний, характеризуемый содержанием в нем примесей, дисперсностью и удельной поверхностью поликристаллических конгломератов отличается высокой чистотой и низкой себестоимостью. Керамические материалы получают на основе металлического кремния путем его термохимического взаимодействия с азот- и углеродсодержащими веществами. Полученные керамические материалы характеризуются низким содержанием в нем примесей, высокой дисперсностью и удельной поверхностью его поликристаллических конгломератов, а также оптимальным для ряда практических случаев использования содержанием его фазового состава. В целом предложенные способы получения поликристаллического кремния и его соединений - карбида и нитрида из природных кремнийсодержащих концентратов позволяют получить металлический кремний и керамический материал в виде нитрида и/или карбида кремния и обеспечить высокие экономическую и экологическую эффективность. 5 c. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области технологии получения материалов, а именно к технологии получения поликристаллического кремния и его химических соединений - карбида и нитрида из природных кремнийсодержащих концентратов.

Известны способы получения поликристаллического кремния термохимическим восстановлением оксидов кремния электролизом из расплавов, содержащих оксидные соединения кремния и галогениды солей (Пелевин О.В., Гришин В.П. Производство полупроводниковых материалов для перспективных преобразователей солнечной энергии, - М., ВИНИТИ, Итоги науки и техники, серия Металлургия цветных металлов, том 19, 1989, с.3-48; Фалькевич Э.С., Пульнер Э.С., Червонный И. Ф. и др. - Технология полупроводникового кремния. - М., Металлургия, 1992 , - 408 с.; Agraval A.K., Austin A.E.//J.Electrochem. Soc., 1980, v. 127, N 3, p 117; Чернов Р.В., Мошенко В.М., Сторчак Н.М. Электролит для получения металлического кремния из расплавов. А.С. СССР 460326 заявлено 19.06.73 N1943090/22-1) с последующим синтезом карбида и нитрида из простых веществ (Косолапова Т.Я. и др. Неметаллические тугоплавкие соединения. - М., Металлургия, 1986).

Известен способ выделения и очистки кремния из кремнийсодержащих соединений или металлургического кремния с помощью его транспортировки связывающим носителем на основе хлора в виде SiCl₄, SiHCl₃ с последующим гидрированием и пиролизом силана или парофазного восстановления SiCl₄ и цинком по реакции (Гранков И.В. Производство кремния за рубежом. / Обозинформ. Вып. 1, - М.: ЦНИИцветмет, 1983, 38 с.) SiCl₄ + 2Zn ---> Si + 2ZnCl₂.

Известны также растворение металлического кальция в расплавленном цинке при получении фтора электролизом тетрафторборатных расплавов, содержащих фторид кальция (Mamontov G. And Laher T.M. Production of Fluorine by the Electrolysis of Calcium Fluoride - Containing Tetrafluoroborate Melts.// J. Electrochem. Soc. 1989, Vol. 136, N 3, pp. 673-676) и способ транспортировки кремния связывающим носителем на основе хлора и растворение электролитически полученного металла в расплаве жидкого цинкового катода (Гранков И.В. Производство кремния за рубежом, / Обозинформ. Вып. 1, - М.: ЦНИИцветмет, 1983, 38с. ; Mamontov G. And Laher Т.М. Production of Fluorine by the Electrolysis of Calcium Fluoride - Containing Tetrafluoroborate Melts. // J.Electrochem. Soc. 1989, Vol. 136, N 3, pp 673-676).

Известны способ получения металлов путем отгонки примесей при пониженных давлениях (Зеликман А. Н., Меерсон Г.А. М., "Металлургия", 1973, 608 с.) и способ вакуумной сепарации восстановленной реакционной массы при производстве металлического титана (Большаков К.А. Химия и технология редких и рассеянных элементов. М.: Высшая школа, 1976, 105 с.).

Известен металлический кремний солнечного сорта (Пелевин О.В., Гришин В. П. Производство полупроводниковых материалов для перспективных преобразователей солнечной энергии, - М., ВИНИТИ, Итоги науки и техники, серия Металлургия цветных металлов, том 19, 1989, с. 3-48).

Известны способы получения неметаллических тугоплавких соединений (Косолапова Т.Я. и др. Неметаллические тугоплавкие соединения. - М., Металлургия, 1986.) и способ получения керамических материалов на основе металлического кремния путем его термохимического взаимодействия с углерод- и/или азотсодержащими веществами (Гнесин Г.Г. Безкислородные керамические материалы, - Киев: Техника, 1987).

Известны керамические материалы (Кулик О.П., Мацегора С.Н., Авербух Л.М. Исходное сырье для производства конструкционной керамики - требования и свойства // Технология. Сер. Оборудование, материалы, процессы, - 1988. - Вып. 2. - 85 с.; Патент. 4368180 США от 11.01.83; J.Soc. Mater. Sci. - 1986. - Vol. 21, N 4. - P. 1448 - 1456; Куимова M.E., Максимов А.А. Получение и применение новых конструкционных керамических материалов // Новые материалы и новые технологии. Вып. 18. М.: ВНТИЦентр, 1986). Их недостаток - недостаточная воспроизводимость свойств из-за относительного высокого содержания металлических примесей, являющихся концентратами напряжения в керамических изделиях.

Общим недостатком указанных способов и материалов является низкое качество получаемых кремния, его карбида и нитрида, а их очистка от примесей представляет сложную и дорогую инженерную задачу.

Решаемой настоящим изобретением задачей является получение высокочистых порошков поликристаллического кремния, его карбида и нитрида с достижением технического результата в отношении уменьшения содержания в них недопустимых примесей и снижения себестоимости изготавливаемых материалов.

В качестве сведений, раскрывающих сущность изобретения следует отметить, что достигаемый технический результат обеспечивают с помощью предложенного способа получения раствора металлического кремния, заключающегося в том, что выделение кремния из кремнийсодержащих соединений производят в реакторе, преимущественно из оксидов с помощью фторгалогена с весовым содержанием C₁ фтора и C₂ галогена, удовлетворяющих условию 0,7 (C₁ + C₂) / C₁ 2,2. Из выделяющегося тепла в количестве E₂ в реакторе отводят тепло в количестве E₁ при условии 1 (E₁ + E₂) /E₂ 2. Отвод тепла, выделяющегося в реакторе, необходим в связи с экзотермическим характером осуществляемых реакций, происходящих со столь значительным выделением энергии, что обязательно принудительное охлаждение. Отвод тепла в указанных пределах обеспечивает оптимальные условия протекания технологического процесса. Связанный с помощью фторгалогена кремний электролитически разлагают на кремний и фторгалогенные соединения с получением кремния в жидком низкоплавком металлическом катоде. При этом выделившийся на аноде фтор и галоген транспортируют на выделение кремния в n стадий, количество которых выбирают в пределах 1 - 3 при условии 1 (C₅ + C₆)/C₆ 6,2, где C₅ - весовое содержание фторгалогена, C₆ - весовое содержание кремнийсодержащего соединения. Такое циклическое неоднократное применение фтор и галогенного носителя необходимо для его рационального использования. Выделенные в электролизере сопутствующие компоненты принудительно удаляют для последующей утилизации.

Достигаемый технический результат обеспечивают также с помощью предложенного способа получения металлического кремния, заключающегося в перекристаллизации кремния упариванием при пониженном давлении из раствора металлического кремния, полученного по вышеописанному способу, имеющего весовое содержание кремния C₇ и весовое содержание металла C₈ при условии 1 (C₇ + C₈) / C₇ 10. Это выполняют при подводе к каждой единице объема раствора энергии в количестве E₃ - E₄ при условии 1 (E₃ + E₄) /E₄ 2 и изменении давления над раствором таким образом, чтобы обеспечить условие 1 (P₁ + P₂) /P₂ 2, где P₁ парциальное давление паров растворителя, P₂ - давление насыщенных паров растворителя при атмосферном давлении.

Достигаемый технический результат обеспечивают также в предложенном металлическом кремнии, полученном вышеописанным способом и характеризуемом содержанием в нем примесей, дисперсностью и удельной поверхностью его поликристаллических конгломератов. При этом получают особо чистый материал, включающий кремний с весовым его содержанием C₁₁, металлические примеси с весовым содержанием C₉ и неметаллические примеси с их весовым содержанием C₁₀ при условии 1 (C₉ + C₁₀ + C₁₁) / C₁₁ 1,1, при соотношении минимальных r₁ и максимальных r₂ размеров поликристаллических конгломератов, удовлетворяющих условию (1 + 10^-5) (r₁ + r₂) / r₂ 2, и при соотношении минимальных S₁ и максимальных S₂ значений удельных поверхностей полиметаллических конгломератов кремния, удовлетворяющих условию (1 + 10^-4) (S₁ + S₂) / S₂ 2.

Достигаемый технический результат обеспечивают также с помощью предложенного способа получения керамических материалов на основе карбидов и/или нитридов кремния, заключающегося в термохимическом взаимодействии вышеописанного металлического кремния с азот и/или углеродсодержащим веществом с весовым содержанием C₁₂ углерода и/или азота в веществе, имеющем весовое содержание C₁₃ при условии 1 (C₁₂ + C₁₃) / C₁₃ 2. При этом взаимодействие ведут при весовом содержании кремния C₁₄ и весовом содержании углерода и/или азота C₁₅, обеспечивающих условие 1 (C₁₄ + C₁₅) / C₁₄ 8 до достижения в готовом керамическом материале с весовым содержанием C₁₇ весового содержания C₁₆ свободного кремния при условии 1 (C₁₆ + C₁₇) / C₁₇ 1,8.

Достигаемый технический результат обеспечивают также в полученном по вышеописанному способу керамическом материале, характеризуемом содержанием в нем примесей, дисперсностью и удельной поверхностью его поликристаллических конгломератов, а также содержанием его фазового состава. При этом получают керамический материал, включающий металлические примеси с их весовым содержанием C₁₈, неметаллические примеси с их весовым содержанием C₁₉, и имеющий весовое содержание C₂₀ при соблюдении условия 1 (C₁₈ + C₁₉ + C₂₀) / C₂₀ 3,4 при соотношении минимальных r₃ и максимальных r₄ размеров поликристаллических конгломератов, удовлетворяющих условию (1 + 10^-6) (r₃ + r₄) / r₄ 2, и при соотношении минимальных S₃ и максимальных S₄ значений удельных поверхностей конгломератов керамического материала, удовлетворяющих условию (1 + 10^-6) (S₃ + S₄) / S₄ 2. Фазовый состав изготовленного керамического материала, характеризующийся весовым содержанием С₂₁ -фазы карбида и/или нитрида и C₂₂ -фазы карбида и/или нитрида, удовлетворяет условию 1,05 (C₂₁ + C₂₂) / C₂₁ 1,9.

Следует обратить внимание, что предложенные способы и материалы имеют одно и то же назначение, служат одной цели, обеспечивают достижение одного и того же технического результата и таким образом взаимосвязаны единым изобретательским замыслом, охарактеризованным формулой изобретения. При этом концепция правовой охраны основана на том, что неразрывность и взаимосвязанность предложенных объектов, а также допускаемая вариантность осуществления отдельных существенных признаков или их совокупностей предопределяют нетрадиционный характер формулировок некоторых признаков, например, отражения особенностей предложенных материалов характеристикой не только входящих компонентов, но и, в частности, с помощью характеристики образовавшихся в них конгломератов и других параметров, однозначно характеризующих материалы, полученные для практической реализации поставленной задачи. Эти вещества получают на основе выполнения технологически объединенной совокупности способов, взаимосвязанных единым изобретательским замыслом.

Для пояснения целесообразно привести следующий пример практической реализации описанного способа получения раствора металлического кремния. Кремний из кремнезема или кварцевого песка связывают фтор- и галогенным носителем на основе трифторхлора (ClF₃) по реакции Образовавшиеся SiF₄ и SiCl₄ в электролизе подвергают электролизу по способу (Гранков И.В. Производство кремния за рубежом: // Обозинформ. Вып. 1, - М.: ЦНИИцветмет, 1983, 38 с.; Mamontov G. And Laher Т.М. Production of Fluorine by the Electrolysis of Calcium Fluoride - Containing Tetrafluoroborate Melts. // J. EIectrochem. Soc. 1989, Vol. 136, N 3, pp. 673-676) и получают раствор кремния 22% маc. в расплаве цинка, а на аноде смесь фтора и хлора, которую используют в качестве носителя для связывания кремния из кремнезема или кварцевого песка. Таким образом получают наиболее качественный раствор кремния при его низкой себестоимости. Оптимальные особенности осуществления операций способа получения металлического кремния из растворов заключаются в том, что выделение кремния из кремнийсодержащих соединений производят преимущественно из оксидов с помощью фторгалогена с весовым содержанием C₁ фтора и C₂ галогена, удовлетворяющих условию (C₁ + C₂) / C₁ = 1, 2, а из выделяющегося тепла в количестве E₂ в реакторе отводят тепло в количестве E₁ при условии (E₁ + E₂) / E₂ = 1,4. Связанный таким образом с помощью фторгалогена кремний электролитически разлагают на кремний и фторгалогенные соединения с получением кремния в жидком низкоплавком металлическом катоде, при этом выделившийся на аноде фтор и галоген транспортируют на выделение кремния в 2 стадии (C₅ + C₆) / C₆ = 2,6, где C₅ - весовое содержание фторгалогена, C₆ - весовое содержание кремнийсодержащего соединения.

При практическом осуществлении предложенного способа получения металлического кремния, заключающегося в перекристаллизации кремния упариванием при пониженном давлении из раствора металлического кремния, полученного по вышеописанному способу, в качестве сырья используют металлический раствор кремния с высоким его содержанием C₇ не менее 15 мас.% в расплаве металлов. При этом выбирают, например, весовое содержание кремния C₇ и весовое содержание металла C₈ при условии (C₇ + C₈) / C₇ = 3,7. Раствор упаривают, подводя к каждой единице объема раствора количества энергии, минимальное E₃ и максимальное E₄ значения которых поддерживают при условии (E₃ + E₄) / E₄ = 1,6, и изменяя давление над раствором таким образом, чтобы обеспечить, в частности, условие (P₁ + P₂) / P₂ = 1,7, где P₁- парциальное давление паров растворителя, P₂ - давление насыщенных паров растворителя при атмосферном давлении. В качестве примера реализации этого способа с абсолютными значениями поддерживаемых параметров целесообразно описать следующий. Раствор кремния 22 мас. % в расплавленном цинке подвергают вакуумной сепарации при 400^oC и температуре 400 - 450^oC. Остаточное содержание цинка в порошке кремния при окончании сепарации при давлении 10^-4 мм рт.ст. составляет < 1 ppm. Перекристаллизовывая кремний из расплавленного цинка получают существенно более качественный, чем по известным способам, кремний в виде серых, твердых, но довольно хрупких кристаллов уд. веса 2,4.

Выбор указанных параметров технологических способов в заявленных пределах позволяет получить высококачественный металлический кремний, характеризуемый содержанием в нем минимального количества примесей, дисперсностью и удельной поверхностью его поликристаллических конгломератов в допустимых пределах. В результате получают особо чистый материал, включающий кремний с весовым его содержанием C₁₁, металлические примеси с весовым содержанием C₉ и неметаллические примеси с их весовым содержанием C₁₀ при условии (C₉ + C₁₀ + C₁₁) / C₁₁ = 1,0001, при соотношении минимальных r₁ и максимальных r₂ размеров поликристаллических конгломератов, удовлетворяющих условию (r₁ + r₂) / r₂ = 1,7, и при соотношении минимальных S₁ и максимальных S₂ значений удельных поверхностей полиметаллических конгломератов кремния, удовлетворяющих условию (S₁ + S₂) / S₂ = 1,6. В частности, полученный металлический кремний с общей концентрацией примесей 210¹⁷ ат. cm³, содержит алюминия - 110¹⁶ ат. cm³, фосфора и бора 1,0 10¹⁴ ат.cm³ при невысокой его стоимости.

В случае практического использования предложенного способа получения керамических материалов на основе карбидов и/или нитридов кремния, заключающегося в термохимическом взаимодействии вышеописанного металлического кремния с азот- и/или углеродсодержащим веществом часто выбирают значения указанных параметров следующими. Азот- и/или углеродсодержащее вещество выбирают с весовым содержанием C₁₃ при весовом содержании C₁₂ углерода и/или азота в веществе, выбираемом из условия (C₁₂ + C₁₃) / C₁₃ = 1,5. При этом взаимодействие ведут при весовом содержании кремния C₁₄ и весовом содержании углерода и/или азота C₁₅, обеспечивающих условие (C₁₄ + C₁₅) / C₁₄ = 2,8 до достижения в готовом керамическом материале с весовым содержанием C₁₇ весового содержания C₁₆ свободного кремния при условии (C₁₆ + C₁₇) / C₁₇ = 1,7. Таким образом по описанному способу более качественно и экономично синтез керамических материалов осуществляют, например, при поддержании следующих абсолютных значений параметров при взаимодействии электролитически полученного кремния с очищенными углерод- и/или азотсодержащими веществами по реакциям.

Si + CN₄ = SiC + 2N₂ 3Si + 4NH₃ = Si₃N₄ + 6H₂ В результате получают по вышеописанному способу керамический материал, характеризуемый содержанием в нем примесей, дисперсностью и удельной поверхностью его поликристаллических конгломератов, а также содержанием его фазового состава. При этом керамический материал с весовым содержанием C₂₀ получают, например, при наличии в нем металлических примесей с их весовым содержанием C₁₈ и неметаллических примесей с их весовым содержанием C₁₉ при соблюдении условия (C₁₈ + C₁₉ + C₂₀) / C₂₀ = 1,1 при соотношении минимальных r₃ и максимальных r₄ размеров поликристаллических конгломератов, удовлетворяющих условию (r₃ + r₄) / r₄ = 1,3, и при соотношении минимальных S₃ и максимальных S₄ значений удельных поверхностей конгломератов керамического материала, удовлетворяющих условию (S₃ + S₄) / S₄ = 1,4. Фазовый состав изготовленного керамического материала, характеризующийся весовым содержанием C₂₁ -фазы карбида и/или нитрида и C₂₂ -фазы карбида и/или нитрида, удовлетворяет при этом условию (C₂₁ + C₂₂) / C₂₁ = 1,5. В качестве примера целесообразно также охарактеризовать полученный керамический материал, например, сопоставлением свойств нитрида и карбида кремния (см. таблицу).

Соответствие критерию промышленная применимость заявленных объектов доказывается их широким использованием в промышленных масштабах, а также отсутствием в заявленных притязаниях каких-либо практически трудно реализуемых признаков.

Достигаемый технический результат, как показали данные экспериментов, может быть реализован только взаимосвязанной совокупностью всех существенных признаков заявленных объектов, отраженных в формуле изобретения. Указанные в ней отличия дают основание сделать вывод о новизне данного технического решения, а совокупность испрашиваемых притязаний в связи с их неочевидностью - о его изобретательском уровне, что доказывается также вышеприведенным детальным описанием заявленных объектов. Заявленные существенные отличительные признаки, нижние и верхние значения их пределов и приведенных аналитических соотношений были получены на основе статистической обработки результатов экспериментальных исследований, анализа и обобщения их и известных из опубликованных источников данных, взаимосвязанных условиями достижения указанного в заявке технического результата, а также с использованием изобретательской интуиции.

Таким образом предложенные способы получения поликристаллического кремния и его соединений - карбида и нитрида - из природных кремнийсодержащих концентратов позволяют получить высококачественные металлический кремний и керамический материал в виде нитрида и/или карбида кремния с минимальным содержанием примесей и обеспечить снижение их себестоимости не менее чем в 1,5 раза.

Формула изобретения

1. Способ получения раствора металлического кремния, заключающийся в том, что выделение кремния из кремнийсодержащих соединений производят преимущественно из оксидов с помощью фторгалогена с весовым содержанием C₁ фтора и C₂ галогена, удовлетворяющих условию 0,7<=(C_{+C2)/C1<=2,2, из выделяющегося тепла в количестве E2 в реакторе отводят тепло в количестве E1 при условии 1<= (E1+E2)/E2<= 2, связанный с помощью фторгалогена кремний электролитически разлагают на кремний и фторгалогенные соединения с получением кремния в жидком низкоплавком катоде, при этом выделившийся на аноде фтор и галоген транспортируют на выделение кремния в n стадий, количество которых выбирают в пределах 1 - 3 при условии 1<=(C+C6)/C6<=6,2, где C5 - весовое содержание фторгалогена, C6 - весовое содержание кремнийсодержащего соединения.}

2. Способ получения металлического кремния, заключающийся в перекристаллизации кремния упариванием при пониженном давлении из раствора металлического кремния, полученного по п.1, имеющего весовое содержание кремния C₇ и весовое содержание металла C₈ при условии 1<=(C_{+C8)/C7<=10, подводе к каждой единице объема раствора энергии в количестве E3-E4 при условии 1<= (E3+E4)/E4<=2 и изменении давления над раствором таким образом, чтобы обеспечить условие 1<= (P1+P2)/P2<=2, где P1 - парциальное давление паров растворителя, P2 - давление насыщенных паров растворителя при атмосферном давлении.}

3. Металлический кремний, полученный по п.2, включающий кремний с весовым его содержанием C₁₁, металлические примеси с весовым содержанием C₉ и неметаллические примеси с их весовым содержанием C₁₀ при условии 1<= (C₉+C₁₀+C₁₁)/C₁₁<= 1,1, при соотношении минимальных r₁ и максимальных r₂ размеров поликристаллических конгломератов, удовлетворяющих условию (1+10^-5)<= (r₁+r₂)/r₂<=2, и при соотношении минимальных S₁ и максимальных S₂ значений удельных поверхностей полиметаллических конгломератов кремния, удовлетворяющих условию (1+10^-4)<=(S_+S2)/S2<=2.

12

углерода и/или азота в веществе, имеющем весовое содержание C₁₃ при условии 1<=(C_{+C13)C13<=2, при этом взаимодействие ведут при весовом содержании кремния C14 и весовом содержании углерода и/или азота C15, обеспечивающих условие 1<=(C+C15)C14<=8 до достижения в готовом керамическом материале с весовым содержанием C17 весового содержания C16 свободного кремния при условии 1<=(C+C17)/C17<=1,8.}

18

, неметаллические примеси с их весовым содержанием C₁₉ и имеющий весовое содержание C₂₀ при соблюдении условия 1<= (C₁₈+C₁₉+C₂₀)/C₂₀<= 3,4 при соотношении минимальных r₃ и максимальных r₄ размеров поликристаллических конгломератов, удовлетворяющих условию (1+10^-6)<=( r₃+r₄)/r₄<=2, и при соотношении минимальных S₃ и максимальных S₄ значений удельных поверхностей конгломератов керамического материала, удовлетворяющих условию (1+10^-6)<= (S₃+S₄)/S₄<2, причем фазовый состав керамического материала, характеризующийся весовым содержанием C₂₁ -фазы карбида и/или нитрида и C₂₂ -фазы карбида и/или нитрида, удовлетворяет условию 1,05<=(C_{+C22)/C21<=1,9.>}

РИСУНКИ

Рисунок 1