Одним из важнейших вопросов современного материаловедения является создание керамических огнеупорных и тугоплавких материалов, отличающихся высокими физико-механическими и прочностными характеристиками, устойчивых к высоким тепловым нагрузкам и агрессивным средам.
Особенно актуальна эта проблема в металлургической и химической промышленности, энергетическом машиностроении, строительной индустрии, нефтеперерабатывающей промышленности и других областях, где необходимо обеспечить длительный ресурс работы футеровок высокотемпературных тепловых агрегатов (печей, ванн, котлов, реакторов, ковшей, тиглей и т.д.). Эту функцию способны выполнить керамика на основе оксида алюминия и тугоплавкие бескислородные материалы, в частности керамика на основе карбидов. Первая обладает высокой механической прочностью, химической стойкостью, высокой огнеупорностью, вторая имеет сравнительно высокую электро- и теплопроводность, термостойкость и стойкость к абразивному воздействию, не смачивается расплавами цветных металлов, обладает высокой механической прочностью в холодном и нагретом состоянии, стойка в кислых шлаках [1]. В основе традиционных технологий изготовления этих материалов лежат процессы медленного протекания химических реакций при высоких температурах (>2000 °C). Отличительной особенностью существующих способов является высокая энергоемкость производства, большая длительность, многооперационность и трудоемкость получения продукции [2].
Производство изделий в Республике Беларусь из карбидсодержащих материалов отсутствует, несмотря на потребность. В то же время существуют технологии, позволяющие получать их при довольно низких энергетических затратах. Наиболее перспективным в данном плане является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Сущность этого процесса заключается в самопроизвольном распространении зоны химической реакции в средах, способных к выделению химической энергии с образованием ценных конденсированных продуктов. СВС сопровождается саморазогревом продуктов (обычно на 1500–3500 °C и более) и возникает при локальном воздействии на систему коротким тепловым импульсом. В дальнейшем протекает в виде волны горения без подвода энергии извне за счет собственного тепловыделения, причем СВС может реализовываться в порошковых смесях разнообразной химической природы [2].
Разработки по этому направлению ведутся в основном в рамках синтеза чистых карбидов кремния и титана. Промышленно с использованием технологии СВС изготавливают только карбид титана. Получение композиционных материалов системы карбид кремния – корунд представлено в ряде работ российских и корейских ученых. Однако в целом это направление недостаточно развито, и поэтому изучение процессов формирования материалов на основе фаз карбидов и оксикарбидов представляет большой научный и практический интерес. Освоение СВС-технологии позволило бы обеспечить отечественную промышленность различными видами тугоплавких карбидсодержащих материалов, а также в некоторой степени решить проблему, связанную с дефицитом собственных энергоресурсов.
Представляется перспективным использовать при этом новый в мировой практике вид минерального сырья – шунгит. Это природный композит, в структуре которого дисперсные кристаллические силикатные частицы размером 0,5–5 мкм равномерно распределены в углеродной матрице [3]. Поскольку в этом уникальном минерале содержится значительное количество кварца и углерода, они могут экзотермически реагировать между собой при нагреве.
Шунгитовые породы, содержащие углеродное вещество определенной, присущей им структуры, так называемый шунгитовый углерод, обнаружены только в Карелии, в месторождении Зажогинском, – это продукт извержения вулканом органосиликатного геля, возраст которого около 2 млрд лет. За это время произошли химические и структурные преобразования геля, превратившие его в современную шунгитовую породу. Генезис месторождения определяет такие важные для технологии характеристики, как стабильность состава в пределах месторождения с утвержденными запасами – 35 млн т. Производственная мощность предприятия по добыче и переработке шунгита – 200 тыс. т в год [4].
По содержанию шунгитового углерода они изменяются от долей процента до 80%. Считая эту характеристику одной из основных, шунгитовые породы классифицируются на следующие разновидности: шунгит I – 98% C (стеклоуглерод), шунгит II (новые разработки) – 60% С, шунгит III – 28–35% С, шунгит IV – 3,5% С (шунгитовые сланцы) [5].
Наиболее изучены породы III разновидности, состоящие на 30% из глобулярного, рентгеноаморф-
ного и метастабильного шунгитового углерода и на 70% – из высокодисперсных силикатных частиц. Шунгитовый углерод по рентгеновским характеристикам представляет собой некристаллическую форму углерода с графитоподобной структурой. Вместе с тем в шунгите отсутствует строго регулярная графитовая структура. По сравнению с графитовым монослоем поликонденсированная ароматическая сетка шунгита дефектна, сильно деформирована и характеризуется увеличенными межатомными расстояниями. По данным электронной микроскопии высокого разрешения, графитоподобные слои углерода длиной 4–6 нм сблокированы в пачки с количеством слоев от 3 до 8. Пачки создают глобулярные образования размером 10–20 нм с луковичной структурой, которые определяются как фуллереноподобные [6].
Зажогинский шунгит признан мировым сообществом новым углеродистым сырьем, представляющим интерес для ряда областей промышленности. Вследствие весьма развитой поверхности контакта между активным углеродом и силикатами в шунгитовой породе при нагреве активно протекают реакции восстановления кремнезема до металлического кремния SiO2+2C ? Si+2CO и образования карбида кремния SiO2+3C ? SiC+2CO. Эти реакции осуществляются с меньшими внешними энергозатратами, чем в традиционной шихте на основе кремнезема и кокса, применяемой для синтеза SiC. Благодаря этому шунгитовая порода используется в производстве литейного чугуна, ферросплавов и карбида кремния, а также при удалении жидких шлаков и выплавке элементарного фосфора [6].
При определенных условиях интенсивное протекание гетерогенных реакций в шунгитовых породах из-за большой площади контакта между углеродом (элементом-восстановителем) и минеральными компонентами (оксидами) [7] можно реализовать в режиме СВС.

Пожалуйста, оформите подписку для того, чтобы получить доступ к