close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14982

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.10.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 14982
(13) C1
(19)
C 01B 21/064 (2006.01)
(2006.01)
B 01J 3/06
(2006.01)
C 30B 29/38
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ КУБИЧЕСКОГО
НИТРИДА БОРА
(21) Номер заявки: a 20100925
(22) 2010.06.17
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное
объединение
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по материаловедению" (BY)
(72) Авторы: Аниченко Николай Георгиевич; Игнатенко Олег Владимирович; Ракицкая Людмила Иосифовна
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение "Научно-практический центр
Национальной академии наук Беларуси по материаловедению" (BY)
(56) FR 2395948 A1, 1979.
RU 2034779 C1, 1995.
EP 0492161 A3, 1992.
BY 11999 C1, 2009.
BY 12406 C1, 2009.
BY 14982 C1 2011.10.30
(57)
Способ получения поликристаллов кубического нитрида бора, при котором пиролитический нитрид бора подвергают термообработке при давлении 5-10 ГПа и температуре,
достаточной для превращения пиролитического нитрида бора в кубический, отличающийся тем, что используют пиролитический нитрид бора, содержащий 20-95 мас. % ромбоэдрической модификации и 5-80 мас. % гексагональной, а термообработку ведут в две
стадии: сначала нагревают до 2400±50 К и выдерживают в течение 10 с, а затем температуру повышают до 3000-3300 К и выдерживают в течение 5 с.
Изобретение относится к неорганической химии, более конкретно к синтезу кубического нитрида бора (КНБ), и может быть использовано в обрабатывающей и электронной
промышленности.
Известен способ получения поликристаллов кубического нитрида бора [1], включающий воздействие высокого давления и высокой температуры на заготовку, спрессованную
из порошка гексагонального нитрида бора (ГНБ). Причем в заготовках не менее 40 % частиц ГНБ ориентированы гексагональными слоями параллельно главным плоскостям заготовки.
Недостатком поликристаллов, получаемых в соответствии с этим способом, являются
сравнительно невысокие эксплуатационные свойства, что обусловлено низкой чистотой
ГНБ и присутствием адсорбированных частиц ГНБ, газов и воды.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является
способ получения поликристаллов кубического нитрида бора [2]. Сущность этого способа
заключается в том, что для получения поликристаллов КНБ используют ГНБ, полученный
пиролизом - пиролитический нитрид бора (ПНБ). ПНБ представляет собой вакуумноплотное тело и хорошо поддается механической обработке. ПНБ обладает высокой чистотой, количество примесей составляет 0,02-0,05 мас. %. В соответствии с этим способом
BY 14982 C1 2011.10.30
заготовки, вырезанные из ПНБ, подвергают одновременному воздействию давления в
пределах 5-10 ГПа и температуры не менее 1800 °С (2073 К) в течение времени, достаточного для преобразования ПНБ в КНБ. Поликристаллы, получаемые в соответствии с этим
способом, обладают высокими физико-механическими свойствами - микротвердость ~80 ГПа,
теплопроводность более 200 Вт/м⋅К.
К недостаткам способа [2] следует отнести, во-первых, то, что поликристаллы практически непрозрачны в видимой области спектра, лишь в тонком слое, менее 0,1 мм незначительно пропускают красный цвет, что ограничивает использование его в оптических
устройствах. Во-вторых, в получаемых поликристаллах пьезоэлектрическое свойство проявляется в незначительной степени, недостаточной для использования в электронной технике.
Задачей настоящего изобретения является получение прозрачного поликристалла КНБ
для оптических элементов, обладающих большим коэффициентом пропускания.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения поликристаллов кубического нитрида бора пиролитический нитрид бора подвергают термообработке при давлении 5-10 ГПа и температуре, достаточной для превращения пиролитического нитрида
бора в кубический.
Новым, по мнению авторов, является то, что используют пиролитический нитрид бора, содержащий 20-95 мас. % ромбоэдрической модификации и 5-80 мас. % гексагональной, а термообработку ведут в две стадии: сначала нагревают до 2400±50 К и
выдерживают в течение 10 с, а затем температуру повышают до 3000-3300 К и выдерживают в течение 5 с.
Использование в предлагаемом способе в качестве исходного ПНБ, обладающего пьезоэлектрическими свойствами и состоящего из ромбоэдрической и гексагональной модификаций, позволяет получать поликристаллы с повышенными эксплуатационными
свойствами. В частности, в 10 раз увеличивается пьезомодуль, более чем в 100 раз возрастает пропускание поликристаллов в видимой и инфракрасной областях спектра.
Наличие пьезоэффекта в исходном нитриде бора позволяет на начальных стадиях вести процесс получения поликристаллов в электрическом поле, которое возникает при сжатии заготовок в устройстве высокого давления, что положительно влияет на поляризацию
получаемых поликристаллов.
Снижение содержания РНБ в исходном ПНБ-Р, Г менее 20 мас. % приводит к снижению пьезомодуля получаемых поликристаллов, ввиду снижения их температуры. Если содержание РНБ в ПНБ-Р,Г превышает 95 мас. % в изготавливаемых поликристаллах, часто
наблюдаются внутренние дефекты в виде рассеивающих свет областей, в результате чего
такие поликристаллы имеют неоднородную оптическую плотность.
В получаемых по предлагаемому способу поликристаллах наблюдается наличие высокой текстуры, при которой плоскости (111) КНБ параллельны поверхности осаждения
гексагональных слоев в исходном ПНБ-Р, Г. Высокая степень текстуры получаемых поликристаллов в большой степени определяется наличием в ПНБ ромбоэдрической модификации, которая благоприятствует кристаллоориентированному характеру протекания
процесса образования плотных модификаций.
Проведенные исследования показали, что по мере роста температуры в интервале
3000-3300 К прозрачность получаемых поликристаллов растет, а затем начинает снижаться.
Ввиду того, что исходный ПНБ-Р, Г является пьезоэлектриком, он при сжатии будет
поляризоваться, возникающая при этом разность потенциалов может достигать нескольких киловольт. При не очень больших температурах на начальных стадиях превращения
ПНБ-Р,Г в плотные модификации, процесс идет при наличии электрического поля в образце, что, по-видимому, позволяет увеличить поляризацию получаемых поликристаллов.
Нагрев исходной заготовки осуществляется в две стадии. Сначала до 2400 К со скоростью, не превышающей 600 К/с, затем следует изотермическая выдержка в течение 10 с,
после чего температура повышается до 3000-3300 К со скоростью 800-1000 К/с. Это поз2
BY 14982 C1 2011.10.30
воляет получить поликристалл КНБ, не содержащий трещин с однородной мелкозернистой структурой.
При отклонении в указанных в формуле пределах поставленная цель не достигается.
Так, при содержании в исходном ПНБ-Р, Г ромбоэдрической модификации менее 20
мас. %, снижается пьезомодуль поликристаллов. При температуре менее 3000 К процесс
превращения идет медленно, при температуре более 3300 К возможен обратный переход в
гексагональную модификацию ввиду выхода из области термодинамической стабильности плотных модификаций.
Ниже приведен пример конкретного выполнения способа.
Пример 1.
Для изготовления поликристаллов использовали ПНБ-Р, Г, содержащий 60 мас. %
ГНБ и 40 мас. % РНБ.
Исходный ПНБ-Р,Г является пьезоэлектриком с пьезомодулем d11 = 9⋅10-11 Кул/Н
ПНБ-Р, Г представляет собой пластину толщиной до 4 мм серебристого цвета плотностью
2,25 г/см3. Из пластины алмазным сверлом вырезали исходные заготовки в виде диска
диаметром 6,3 мм. Исходные заготовки шлифовали по основаниям параллельно плоскости
осаждения для придания им правильной цилиндрической формы. Затем заготовки очищались от возможных поверхностных загрязнений, промывались в спирте и дистиллированной воде в ультразвуковой ванне, просушивались и помещались в графитовый
нагреватель реакционной ячейки высокого давления. Для исключения загрязнения заготовки в процессе термобарической обработки нагреватель изготавливали из спектрально
чистого графита, который был изолирован от контейнера экраном из фольги тантала. В
реакционную ячейку помещали по две заготовки толщиной ~ 1,8 мм каждая. Для предохранения спекания в процессе термобарической обработки на контактирующие поверхности заготовок наносили тонкий слой графита. Снаряженную ячейку помещали в
устройство высокого давления типа "наковальня с лункой" и сжимали на прессе ДО 137А
до получения в реакционном объеме давления 7,5 ГПа. Затем, пропуская через элементы
нагревателя электрический ток, заготовку нагревали до температуры 2400 К и выдерживали в течение 10 с. Затем температура повышалась до 2700 К с последующей изотермической выдержкой 5 с. После этого нагрев отключали, давление снижали до атмосферного и
извлекали из реакционной ячейки два поликристалла диаметром 6,3 мм и высотой 1,2 мм
каждый. Поликристаллы практически не меняли свой диаметр в сравнении с диаметром
исходной заготовки, а увеличение плотности при фазовом переходе происходит за счет
уменьшения толщины.
Для проведения физико-механических исследований полученные поликристаллы
шлифовали по плоскостям и образующей цилиндра.
Поликристаллы преимущественно состоят из КНБ с небольшой примесью ВНЕ. Они
обладают сильной текстурой, о чем можно судить по отсутствию (либо малой интенсивности) отражений (200) и (220) на рентгенограмме.
На полученных образцах поликристаллов были проведены измерения следующих физико-механических свойств: плотность ρ г/см3, пьезомодуль d11 Кул./Н, коэффициент пропускания в видимой области спектра %, коэффициент преломления n.
Измерение коэффициента пропускания света в видимой области спектра осуществлялось на фотометре ФМ-56.
Измерение пьезомодуля d11 осуществлялось по методике, описанной в ГОСТ12370-80
"Материалы пьезоэлектрические".
Коэффициент преломления n рассчитывался по формуле n = d/z, где d - толщина плоскопараллельной пластинки из поликристалла, z - перемещение объектива микроскопа
при фокусировке на верхнюю и нижнюю поверхности пластинок. Среднее значение n составило 2,1-2,15.
Примеры 2-10 и результаты измерения физико-механических свойств приведены в
таблице.
3
4
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Свойства поликристаллов
Режимы синтеза
ТемпераВремя τ, Фазовый состав,
тура T, К
с
мас., %
Давление
ГНБ РНБ
Р, ГПа 1 ста- 2 ста- 1 ста- 2 стадия ста- ста- дия
ГНБ
КНБ
дия дия
2
3
4
5
6
7
8
9
10
40
7,5
2400 2700 10
5
100
60
80
7,5
2400 3000 10
5
100
20
85
7,5
2400 3000 10
5
100
15
5
7,5
2400 3000 10
5
100
95
97
3
7,5
2400
3000
10
5
80
60
60
60
20
40
40
40
ГНБ
8,0
8,0
7,5
7,5
7,5
2400
2400
2400
2400
2400
3500
3600
3200
3300
-
10
10
10
10
30
5
5
5
5
-
5
15
Пьезомодуь Коэффициент
Кул/Н
пропускания, %
11
6⋅10-12
5⋅10-12
8⋅10-13
3⋅10-12
100
2⋅10-12
95
85
100
100
100
6⋅10-12
1,5⋅10-12
7,5⋅10-12
9⋅10-12
5⋅10-13
12
40
55
55
40
30
Примечание
13
неоднородное
пропускание
15
7
50
60
непрозрачен прототип
BY 14982 C1 2011.10.30
№ припримера
Фазовый
состав,
мас. %
BY 14982 C1 2011.10.30
Анализируя результаты измерения свойств поликристаллов, получаемых в соответствии с предлагаемым способом и прототипом, можно сделать следующие выводы.
Эксплуатационные свойства (пьезомодуль, коэффициент пропускания света) поликристаллов, изготавливаемых в соответствии с предлагаемым способом, значительно превосходят эти свойства у поликристаллов, изготавливаемых по прототипу.
Поликристаллы, изготавливаемые по прототипу (пример 10) при толщине 0,5 мм в видимой области свет не пропускают. Поликристаллы, изготавливаемые в соответствии с
предлагаемым способом, пропускают от 10 до 60 % света в видимой области спектра. Соответственно пьезомодуль изготавливаемых поликристаллов (5-15) раз выше, чем у прототипа.
Из анализа видно, что при различных значениях отличительных параметров способа,
эксплуатационные свойства изготавливаемых поликристаллов выше, чем у прототипа.
При выходе за граничные значения параметров наблюдается значительное снижение
эксплуатационных свойств поликристаллов. Так при температуре ниже 3000 К поликристаллы не имели однородной структуры (пример 1). При температуре выше 3300 К (примеры 6,7) идет обратный переход КНБ в ГНБ. При содержании РНБ в исходном ПНБ-Р,Г
менее 20 мас. % (пример 4,5) снижаются пьезомодуль и коэффициент пропускания.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает возможность улучшить эксплуатационные свойства
КНБ приблизительно в 5 раз по сравнению с прототипом, что дает возможность использовать их в электронной промышленности.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
99 Кб
Теги
by14982, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа