Российские ученые превратили древесный уголь в сверхпрочный материал для промышленности

Российские ученые предложили простой и быстрый метод производства высококачественного карбида кремния из отходов деревообрабатывающей промышленности. Разработанный исследователями метод отличается быстротой реализации и низкой стоимостью исходного сырья. Исследование опубликовано в журнале Materials Chemistry and Physics.

Карбид кремния — тугоплавкое, химически стойкое, твердое вещество, обладающее полупроводниковыми свойствами. Он является синтетическим заменителем минерала муассанита, который обладает поразительной, близкой к алмазу, твердостью, не вступает в химические реакции с большинством кислот, выдерживает нагревание до 1500 °С и воздействие радиации, однако в природе практически не встречается.

Одна из сфер применения карбида кремния — металлургия. Применение карбида кремния в современной металлургии довольно разнопланово — от добавок в сталеплавильном производстве до стойких огнеупоров для нагревательных агрегатов. Его твердость делает из карбида кремния отличный абразив, который применяют для шлифовки и пескоструйной обработки. Его также используют в ювелирной промышленности, строительстве, в оборонной отрасли для изготовления бронежилетов, в автомобилестроении и многих других областях.

К преимуществам биоморфных карбидов относится то, что они производятся из вторичных продуктов, полученных из возобновляемого сырья. На сегодняшний день карбиды получают из различных видов древесины и зерновых, включая дуб, сосну, бук, липу, кукурузу и просо. Предпринимаются попытки производства карбидов также из древесно-волокнистых плит, бумаги, различных видов ДСП, производных бамбукового волокна и т.д.

При этом все известные на сегодняшний день методы производства биоморфного карбида кремния имеют ряд недостатков, не позволяющих получать конечный продукт со стабильными эксплуатационными характеристиками. Кроме того, традиционные методы производства карбида кремния из угля довольно времязатратны.

Группа российских ученых из НИТУ «МИСиС» и Томского политехнического университета разработала метод получения карбида кремния из древесного угля и кремния в плазме низковольтной электрической дуги постоянного тока при комнатной температуре с использованием электродугового реактора с графитовыми электродами.

Исследователи установили, что тройная обработка исходного материала в плазме электрической дуги на протяжении 25-30 секунд при силе тока в 220 ампер позволяет добиться полной трансформации кремния в его карбид. Полученную фазу карбида кремния можно очистить от продуктов синтеза путем отжига в атмосферной печи при температуре 800 °C. При этом для синтеза карбида не требуется ни вакуум, ни инертные газы. Сам процесс синтеза занимает от нескольких секунд до пары минут, что является существенным преимуществом предложенного метода. Кроме того, в качестве первичного источника угля были использованы отходы деревообрабатывающей промышленности.

Полученные в результате порошки карбида кремния обладают оптимальными параметрами кристаллической решетки и морфологическими свойствами, сходными с древесным углем. При этом оксидный слой, который неизбежно образуется на материалах на основе карбида кремния, легко удаляется с помощью алкалинового раствора.

«Не всегда ученым удается получить полезный, дорогой продукт из дешевого вторичного сырья. В данном случае нам удалось синтезировать дорогостоящий, ценный карбид кремния из бросовых древесных отходов. Предложенный нами метод позволит не только снабжать промышленность высококачественным карбидом кремния с меньшими временными и финансовыми затратами, но и утилизировать отходы деревообрабатывающей промышленности», — отмечает один из авторов исследования д.т.н., профессор Александр Громов, заведующий лабораторией «Катализ и переработка углеводородов» НИТУ «МИСиС».

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК