DE102017204258B4 - Method of making a porous body - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers, wobei ein poröser, aus Kohlenstoff bestehender Basiskörper mittels chemischer Gasphaseninfiltration (CVI) infiltriert wird,wobei der Basiskörper mit Siliziumnitrid (Si3N4) infiltriert wird, wobei bei dem Infiltrieren des Basiskörpers zumindest eine Oberflächenschicht aus dem Siliziumnitrid innerhalb von Poren des Basiskörpers ausgebildet wird,dadurch gekennzeichnet,dass nachfolgend der Kohlenstoff des Basiskörpers mittels Verbrennung aufgezehrt wird, derart, dass ein offen poröser, aus dem Siliziumnitrid bestehender Körper erhalten wird.A method for producing a porous body, wherein a porous base body made of carbon is infiltrated by means of chemical vapor phase infiltration (CVI), the base body being infiltrated with silicon nitride (Si3N4), with at least one surface layer of the silicon nitride being infiltrated within pores when the base body is infiltrated of the base body is formed, characterized in that the carbon of the base body is subsequently consumed by means of combustion in such a way that an openly porous body consisting of the silicon nitride is obtained.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers, wobei ein poröser, aus Kohlenstoff bestehender Basiskörper mittels chemischer Gasphaseninfiltration infiltriert wird, wobei der Basiskörper mit Siliziumnitrid (Si₃N₄) infiltriert wird, wobei bei dem Infiltrieren des Basiskörpers zumindest eine Oberflächenschicht aus dem Siliziumnitrid innerhalb von Poren des Basiskörpers ausgebildet wird.The invention relates to a method for producing a porous body, in which a porous base body made of carbon is infiltrated by means of chemical vapor phase infiltration, the base body being infiltrated with silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), with at least one surface layer of the Silicon nitride is formed within pores of the base body.

Eine Verwendung poröser Festkörper als starres Filtermedium oder als Isolationskörper ist hinreichend bekannt. Starre Filtermedien können beispielsweise aus Fasern oder Körnern eines Materials, wie beispielsweise Metall oder einem keramischen Werkstoff durch Sintern ausgebildet werden. Dabei erfolgt eine Verbindung der Fasern oder Körner derart, dass ein offen poröser Körper ausgebildet wird, der von Gasen oder Flüssigkeiten durchströmt werden kann. Auch ist es bekannt, derartige Filterelemente aus Siliziumkarbid als einem Grundstoff herzustellen. Darüber hinaus ist auch eine Herstellung offen poriger Metallschäume bekannt. Derartige poröse Körper können neben einer Verwendung als Filterkörper, in Abhängigkeit einer Porosität, auch als Isolationskörper, beispielsweise für Hochtemperaturanwendungen, eingesetzt werden. Um eine Materialeigenschaft von Filterkörpern zu beeinflussen, beispielsweise hinsichtlich eines chemischen Reaktionsverhaltens, können poröse Körper beziehungsweise ein poröser Basiskörper mittels chemischer Gasphaseninfiltration (Chemical Vapour Infiltration, CVI) mit einem weiteren Stoff infiltriert werden. Auf einer Oberfläche des Basiskörpers beziehungsweise von Poren des Basiskörpers kann dann eine Oberflächenschicht abgeschieden werden. Die Oberflächenschicht kann beispielsweise dazu dienen, den Basiskörper mechanisch zu stabilisieren oder ein Material des Basiskörpers vor einer chemischen Reaktion mit einem zu filternden Medium zu schützen. Nachteilig bei den bekannten porösen Körpern ist, dass diese nur eingeschränkt für Hochtemperaturanwendungen einsetzbar sind. So können Filterkörper aufgrund eines Benetzungsverhaltens ihrer Oberfläche kaum zum Filtern von Metallschmelzen eingesetzt werden.A use of porous solids as a rigid filter medium or as an insulating body is well known. For example, rigid filter media may be formed from fibers or granules of a material such as metal or a ceramic by sintering. The fibers or grains are connected in such a way that an open porous body is formed through which gases or liquids can flow. It is also known to produce such filter elements from silicon carbide as a base material. In addition, the production of open-pored metal foams is also known. In addition to being used as filter bodies, such porous bodies can also be used as insulating bodies, for example for high-temperature applications, depending on their porosity. In order to influence a material property of filter bodies, for example with regard to a chemical reaction behavior, porous bodies or a porous base body can be infiltrated with a further substance by means of chemical gas phase infiltration (chemical vapor infiltration, CVI). A surface layer can then be deposited on a surface of the base body or on pores of the base body. The surface layer can serve, for example, to mechanically stabilize the base body or to protect a material of the base body from a chemical reaction with a medium to be filtered. The disadvantage of the known porous bodies is that they can only be used to a limited extent for high-temperature applications. Because of the wetting behavior of their surface, filter bodies can hardly be used for filtering molten metal.

Die DE 698 10 786 T2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Heißgasfilters, bei dem unter anderem ein poröses Trägermaterial, welches aus Keramikfasern gebildet sein kann, mittels chemischer Gasphaseninfiltration mit einer Membranschicht an einer äußeren Oberfläche des Trägermaterials versehen wird. Weiter werden eine Reihe von Materialien zur Herstellung keramischer Heißgasfilter aufgezählt, unter anderem auch Siliziumnitrid.The DE 698 10 786 T2 discloses a method for producing a ceramic hot gas filter in which, inter alia, a porous carrier material, which can be formed from ceramic fibers, is provided with a membrane layer on an outer surface of the carrier material by means of chemical vapor phase infiltration. A number of materials for the production of ceramic hot gas filters are also listed, including silicon nitride.

Aus der DE 60 2004 008 999 T2 ist ein Heißgasfilter bekannt, der aus Siliziumnitrid ausgebildet ist. Der Heißgasfilter soll eine Wabenstruktur aufweisen und ist porös ausgebildet. Ein Filterkörper wird aus metallischem Silizium, welches nitridiert wird, ausgebildet.From the DE 60 2004 008 999 T2 a hot gas filter formed of silicon nitride is known. The hot gas filter should have a honeycomb structure and is designed to be porous. A filter body is formed from metallic silicon, which is nitrided.

Die DE 10 2007 054 526 A1 offenbart ein aufheizbares Wärmetransferelement für eine Anlage zur thermischen Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleitersubstraten. Das Wärmetransferelement umfasst eine Membran, welche durch mindestens eine Matte aus Fasern ausgebildet ist. Die Fasern können Kohlenstofffasern umfassen und durch eine Matrix aus Kohlenstoff miteinander verbunden sein. Weiter kann die Membran eine mittels chemischer Gasphaseninfiltration (CVI) aufgebrachte Beschichtung aus Siliziumnitrid aufweisen. Auch kann vorgesehen sein, die Membran mit einer gewissen Porosität auszubilden.The DE 10 2007 054 526 A1 discloses a heatable heat transfer element for a system for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor substrates. The heat transfer element comprises a membrane which is formed by at least one mat of fibers. The fibers may include carbon fibers and be bonded together by a matrix of carbon. Furthermore, the membrane can have a coating of silicon nitride applied by means of chemical vapor infiltration (CVI). Provision can also be made for the membrane to have a certain porosity.

Die US 2005 / 0 181 192 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten, nanogeschichteten, keramischen Matrixverbundmaterials, wobei auf einem Vorformling aus Fasern unter anderem ein keramisches Matrixmaterial abgeschieden wird, welches Siliziumnitrid umfasst, welches mittels chemischer Gasphaseninfiltration (CVI) bei einer Temperatur von 800 °C bis 1100 °C und einem Druck von 1 Torr bis 250 Torr abgeschieden wird.The U.S. 2005/0 181 192 A1 discloses a method for producing a fiber-reinforced, nanolayered, ceramic matrix composite material, wherein a ceramic matrix material, among other things, is deposited on a preform made of fibers, which comprises silicon nitride, which is produced by means of chemical vapor phase infiltration (CVI) at a temperature of 800 °C to 1100 °C and a pressure of 1 torr to 250 torr.

Die WO 93/ 18 203 A1 offenbart ein Verfahren zum Beschichten von kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff, wobei auf dem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff eine Haftmittlerschicht aufgebracht wird, auf die ihrerseits mittels eines CVD-Verfahrens eine Schutzschicht aus kristallinem Siliziumnitrid bei einem Druck von weniger als 5 hPa und bei einer Temperatur von 1000 °C bis 1100 °C aufgetragen wird.The WO 93/18203 A1 discloses a method for coating carbon-fiber-reinforced carbon, an adhesive layer being applied to the carbon-fiber-reinforced carbon, on which in turn a protective layer of crystalline silicon nitride is applied by means of a CVD process at a pressure of less than 5 hPa and at a temperature of 1000 °C to 1100 °C °C is applied.

Die US 5 300 322 A betrifft ein Verfahren zur Beschichtung bzw. Infiltration eines porösen Körpers mit Siliziumnitrid. Ein poröser Basiskörper kann mittels chemischer Gasphaseninfiltration mit Siliziumnitrid infiltriert und im Wesentlichen ausgefüllt werden. Eine Prozesstemperatur kann 1000 °C bis 1500 °C betragen.The U.S. 5,300,322A relates to a method for coating or infiltrating a porous body with silicon nitride. A porous base body can be infiltrated and essentially filled with silicon nitride by means of chemical vapor phase infiltration. A process temperature can be 1000 °C to 1500 °C.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers vorzuschlagen, das eine Herstellung des porösen Körpers mit einer sehr hohen Porosität ermöglicht.The present invention is therefore based on the object of proposing a method for producing a porous body which enables the porous body to be produced with a very high porosity.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines porösen Körperswird ein poröser, aus Kohlenstoff bestehender Basiskörper mittels chemischer Gasphaseninfiltration (CVI) infiltriert, wobei der Basiskörper mit Siliziumnitrid (Si₃N₄) infiltriert wird, wobei bei dem Infiltrieren des Basiskörpers zumindest eine Oberflächenschicht aus dem Siliziumnitrid innerhalb von Poren des Basiskörpers ausgebildet wird, wobei nachfolgend der Kohlenstoff des Basiskörpers mittels Verbrennung aufgezehrt wird, derart, dass ein offen poröser, aus dem Siliziumnitrid bestehender Körper erhalten wird.In the method according to the invention for producing a porous body, a porous base body made of carbon is infiltrated by means of chemical vapor phase infiltration (CVI), the base body being infiltrated with silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), with at least one surface layer of the silicon nitride being infiltrated when the base body is infiltrated is formed within pores of the base body, with the carbon of the base body subsequently being consumed by means of combustion in such a way that an openly porous body consisting of the silicon nitride is obtained.

Der Basiskörper aus Kohlenstoff kann beispielsweise durch Sintern ausgebildet sein, wobei wesentlich ist, dass der Basiskörper eine offen poröse Struktur aufweist, das heißt, von einem Fluid durchströmt werden kann. Da die Materialien des Basiskörpers vergleichsweise temperaturstabil sind, kann der Basiskörper mittels der chemischen Gasphaseninfiltration infiltriert werden, derart, dass das Siliziumnitrid innerhalb der Poren des Basiskörpers abgeschieden wird und die Oberflächenschicht auf einer Oberfläche des Basiskörpers ausgebildet wird. Diese Oberflächenschicht aus Siliziumnitrid kann den Basiskörper auch mechanisch stabilisieren. Mittels des Siliziumnitrids wird es weiterhin möglich, ein Benetzungsverhalten einer Oberfläche des porösen Körpers wesentlich zu verbessern. Unter einem verbesserten Benetzungsverhalten wird hier eine möglichst geringe Benetzbarkeit der Oberfläche, entsprechend einer hydrophoben Oberfläche, verstanden.The base body made of carbon can be formed, for example, by sintering, it being essential that the base body has an open porous structure, ie a fluid can flow through it. Since the materials of the base body are comparatively temperature-stable, the base body can be infiltrated by chemical vapor infiltration such that the silicon nitride is deposited within the pores of the base body and the surface layer is formed on a surface of the base body. This surface layer of silicon nitride can also mechanically stabilize the base body. The silicon nitride also makes it possible to significantly improve a wetting behavior of a surface of the porous body. Improved wetting behavior is understood here to mean the lowest possible wettability of the surface, corresponding to a hydrophobic surface.

Erfindungsgemäß wird nachfolgend der Abscheidung des Siliziumnitrids auf dem Basiskörper der Kohlenstoff des Basiskörpers mittels Verbrennung aufgezehrt, derart, dass ein offen poröser, aus dem Siliziumnitrid bestehender Körper erhalten wird. Wenn die Oberflächenschicht aus Siliziumnitrid beispielsweise Fehlstellen, Risse oder dergleichen aufweist, oder der beschichtete Basiskörper mechanisch bearbeitet wird, kann der Kohlenstoff des Basiskörpers durch eine Hochtemperaturbehandlung überwiegend zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid etc. oxidiert bzw. vergast werden. Der Kohlenstoff kann so im Wesentlichen entfernt werden, sodass ein poröser Körper geschaffen wird, der alleine aus dem Siliziumnitrid besteht und eine sehr hohe Porosität aufweist. Ein nahezu vollständig aus Siliziumnitrid bestehender poröser Körper eignet besonders gut als ein Filterkörper zum Filtern einer Leichtmetall- beziehungsweise einer Aluminiumschmelze.According to the invention, following the deposition of the silicon nitride on the base body, the carbon of the base body is consumed by combustion in such a way that an openly porous body consisting of the silicon nitride is obtained. If the surface layer of silicon nitride has defects, cracks or the like, for example, or the coated base body is mechanically processed, the carbon of the base body can be oxidized or gasified predominantly to form carbon monoxide, carbon dioxide, etc., by means of a high-temperature treatment. The carbon can thus be essentially removed, so that a porous body is created which consists solely of the silicon nitride and has a very high porosity. A porous body consisting almost entirely of silicon nitride is particularly well suited as a filter body for filtering a light metal or aluminum melt.

Als poröser Körper kann ein Filterkörper oder Isolationskörper hergestellt werden. Der poröse Körper eignet sich dann beispielsweise als ein Filterkörper für eine Aluminiumschmelze. Gleichwohl kann der poröse Körper aufgrund der hohen Festigkeit und Temperaturbeständigkeit des Siliziumnitrids für Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise bei über 1.000 °C, als Isolationskörper eingesetzt werden. Insgesamt können so die Eigenschaften des Siliziumnitrids für Filter- oder Isolationskörper nutzbar gemacht werden.A filter body or insulating body can be produced as the porous body. The porous body is then suitable, for example, as a filter body for an aluminum melt. Nevertheless, due to the high strength and temperature resistance of the silicon nitride, the porous body can be used as an insulating body for high-temperature applications, for example at over 1,000°C. Overall, the properties of silicon nitride can be used for filter or insulation bodies.

Der Basiskörper selbst kann aus textilen Fasergelegen, Faserfilz oder Schaum ausgebildet werden. Beispielsweise kann der Basiskörper aus Graphit hergestellt werden oder der Basiskörper kann aus einem Faserfilz, beispielsweise aus Kohlenstofffasern, hergestellt werden.The base body itself can be formed from textile fiber fabrics, fiber felt or foam. For example, the base body can be made of graphite or the base body can be made of a fiber felt, for example made of carbon fibers.

Ein Infiltrieren des Basiskörpers kann mittels der chemischen Gasphaseninfiltration (CVI) bei einer Prozesstemperatur von über 800 °C bis 1.700 °C, bevorzugt über 1.000 °C bis 1.550 °C, besonders bevorzugt über 1.300 °C bis 1.500 °C erfolgen. Bei diesen Prozesstemperaturen kann beispielsweise teilkristallines Siliziumnitrid abgeschieden werden.The base body can be infiltrated by means of chemical vapor phase infiltration (CVI) at a process temperature of over 800° C. to 1700° C., preferably over 1000° C. to 1550° C., particularly preferably over 1300° C. to 1500° C. Partially crystalline silicon nitride, for example, can be deposited at these process temperatures.

Die Oberflächenschicht des Basiskörpers kann mit einer Schichtdicke von 1 µm bis 100 µm, bevorzugt von 1 µm bis 50 µm, und besonders bevorzugt von 5 µm bis 10 µm ausgebildet werden, derart, dass ein offen poröser Körper ausgebildet wird. Die Schichtdicke kann beispielsweise in Abhängigkeit der physikalischen Anforderungen an den porösen Körper ausgebildet werden. Die Schichtdicke kann dabei so gewählt werden, dass im Wesentlichen der offen poröse Körper erhalten wird, der als Filterkörper oder als Isolationskörper nutzbar ist. Weiter kann die Oberflächenschicht so ausgebildet werden, dass sie als eine Diffusionsbarriere wirkt.The surface layer of the base body can be formed with a layer thickness of 1 μm to 100 μm, preferably 1 μm to 50 μm, and particularly preferably 5 μm to 10 μm, such that an openly porous body is formed. The layer thickness can be formed depending on the physical requirements of the porous body, for example. The layer thickness can be selected in such a way that essentially the openly porous body is obtained, which can be used as a filter body or as an insulating body. Further, the surface layer can be formed to act as a diffusion barrier.

Die Oberflächenschicht kann bei einem Druck in einer Prozesskammer von >1 mbar bis 300 mbar, bevorzugt von >1 mbar bis 60 mbar auf dem Basiskörper ausgebildet werden. Eine Ausbildung von kristallinem Siliziumnitrid beziehungsweise eine Abscheidung aus der Gasphase wird so wesentlich vereinfacht.The surface layer can be formed on the base body at a pressure in a process chamber of >1 mbar to 300 mbar, preferably from >1 mbar to 60 mbar. A formation of crystalline silicon nitride or a deposition from the gas phase is thus significantly simplified.

Weiter kann die Oberflächenschicht des Basiskörpers mit einer Schichtdicke ausgebildet werden, derart, dass bei dem Infiltrieren des Basiskörpers Poren im Material des Basiskörpers mit dem Siliziumnitrid geschlossen oder ausgefüllt werden. Die Poren im Material des Basiskörpers beziehungsweise innerhalb des Kohlenstoffs des Basiskörpers können dann im Wesentlichen vollständig mit dem Siliziumnitrid ausgefüllt werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn nachfolgend vorgesehen ist den Kohlenstoff des Basiskörpers zu entfernen. So kann ein offen poröser Körper erhalten werden, der besonders stabil ist.Furthermore, the surface layer of the base body can be formed with a layer thickness such that when the base body is infiltrated, pores in the material of the base body are closed or filled with the silicon nitride. The pores in the material of the base body or within the carbon of the base body can then be essentially completely filled with the silicon nitride. This is possible in particular if the carbon of the base body is subsequently to be removed. In this way, an openly porous body can be obtained which is particularly stable.

Es kann vorgesehen sein, den Basiskörper vollständig mit dem Siliziumnitrid zu infiltrieren. Dabei kann insbesondere eine Oberfläche der Poren des Basiskörpers vollständig mit dem Siliziumnitrid beziehungsweise der Oberflächenschicht beschichtet werden. So kann sichergestellt werden, dass ein beispielsweise zu filterndes Medium alleine mit dem Siliziumnitrid in Kontakt gelangt. Weiter kann eine Infiltrationsschicht mit einer Schichtdicke von bis zu 100 µm, bevorzugt von bis zu 500 µm, und besonders bevorzugt von bis zu 2.500 µm ausgebildet werden. Je nach Form beziehungsweise Materialdicke des Basiskörpers kann der Basiskörper auch derart vollständig bzw. durchgängig infiltriert werden, sodass der Basiskörper dann nur noch eine geringe oder keine Porosität aufweist.Provision can be made for the base body to be completely infiltrated with the silicon nitride. In particular, a surface of the Pores of the base body are completely coated with the silicon nitride or the surface layer. It can thus be ensured that a medium to be filtered, for example, only comes into contact with the silicon nitride. Furthermore, an infiltration layer with a layer thickness of up to 100 μm, preferably up to 500 μm, and particularly preferably up to 2,500 μm, can be formed. Depending on the shape or material thickness of the base body, the base body can also be completely or continuously infiltrated in such a way that the base body then has only little or no porosity.

Der Basiskörper kann mit amorphen, bevorzugt teilkristallinen, besonders bevorzugt kristallinen Siliziumnitrid (Si₃N₄) infiltriert werden. Wie sich herausgestellt hat, weist kristallines Siliziumnitrid ein besonders vorteilhaftes Benetzungsverhalten beziehungsweise hydrophobe Eigenschaften auf. Ein derart ausgebildeter Filterkörper eignet sich besonders gut zum Filtern von beispielsweise einer Metallschmelze. Insbesondere in dem zuvor angegebenen Prozesstemperaturbereich wird es erst möglich, die Oberflächenschicht auf beziehungsweise in den Poren des Basiskörpers aus zumindest teilkristallinem Siliziumnitrid auszubilden. Dabei kann der Basiskörper in einer Hochtemperaturanlage aufgeheizt und ein Gas zudosiert werden. Dieses Gas kann mindestens eine siliziumhaltige und eine stickstoffhaltige Verbindung enthalten. Durch Absorption der Gasmoleküle an einer Oberfläche des Basiskörpers und eine chemische Reaktion kann auf der Oberfläche des Basiskörpers die Oberflächenschicht aus im Wesentlichen teilkristallinem Siliziumnitrid abgeschieden werden. Je nach Auswahl der Prozesstemperatur kann bevorzugt kristallines Siliziumnitrid auf der Oberfläche des Basiskörpers abgeschieden werden. Bereits die Oberflächenschicht aus zumindest teilkristallinem Siliziumnitrid weist weniger Verunreinigungen auf als eine Oberflächenschicht, die mit einem Plasmaverfahren hergestellt wurde. Die derart ausgebildete Oberflächenschicht ist darüber hinaus vergleichsweise korrosionsbeständiger und weist ein vorteilhaftes Benetzungsverhalten im Bezug auf beispielsweise Metall- oder Siliziumschmelzen auf. Prinzipiell ist es auch möglich, beliebige poröse Körper aus Kohlenstoff mit einer Oberflächenschicht aus zumindest teilkristallinen Siliziumnitrid zu beschichten, insbesondere wenn vorteilhafte Produkteigenschaften durch das Aufbringen der Oberflächenschicht auf den betreffenden Basiskörper, beispielsweise im Bereich von Hochtemperaturanwendungen, erzielbar sind.The base body can be infiltrated with amorphous, preferably partially crystalline, particularly preferably crystalline silicon nitride (Si ₃ N ₄ ). As has been found, crystalline silicon nitride has particularly advantageous wetting behavior or hydrophobic properties. A filter body designed in this way is particularly well suited for filtering molten metal, for example. In particular, it is only possible to form the surface layer on or in the pores of the base body from at least partially crystalline silicon nitride in the process temperature range specified above. The base body can be heated in a high-temperature system and a gas can be added. This gas can contain at least one compound containing silicon and one compound containing nitrogen. The surface layer of essentially partially crystalline silicon nitride can be deposited on the surface of the base body by absorption of the gas molecules on a surface of the base body and a chemical reaction. Depending on the selection of the process temperature, preferably crystalline silicon nitride can be deposited on the surface of the base body. Even the surface layer made of at least partially crystalline silicon nitride has fewer impurities than a surface layer that was produced using a plasma process. In addition, the surface layer formed in this way is comparatively more resistant to corrosion and has advantageous wetting behavior in relation to, for example, molten metal or silicon. In principle, it is also possible to coat any porous body made of carbon with a surface layer of at least partially crystalline silicon nitride, especially if advantageous product properties can be achieved by applying the surface layer to the relevant base body, for example in the area of high-temperature applications.

Die Oberflächenschicht kann auch aus stöchiometrischen, kristallinen Siliziumnitrid ausgebildet werden. So kann die Oberflächenschicht aus reinem, kristallinen Siliziumnitrid ausgebildet werden, ohne dass in der Oberflächenschicht Ausgangsstoffe beziehungsweise Reaktanten der bei dem Verfahren eingesetzten Stoffe zurückbleiben. Ein Übergang beziehungsweise eine Diffusion von sonst in der Oberflächenschicht enthaltenen Stoffen in eine Schmelze kann so verhindert werden, sodass eine Verunreinigung der Schmelze ausgeschlossen werden kann.The surface layer can also be formed from stoichiometric, crystalline silicon nitride. The surface layer can thus be formed from pure, crystalline silicon nitride without starting substances or reactants of the substances used in the method remaining in the surface layer. A transfer or diffusion of substances otherwise contained in the surface layer into a melt can be prevented in this way, so that contamination of the melt can be ruled out.

So kann das kristalline Siliziumnitrid im Wesentlichen frei von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und/oder Metallen ausgebildet werden. Die Oberflächenschicht ist dann im Wesentlichen frei von Verunreinigungen, die beispielsweise bei einer Hochtemperaturanwendung des porösen Körpers aus der Oberflächenschicht heraus diffundieren könnten. Die Oberflächenschicht kann auch auf einem Filterkörper aufgebracht werden, welcher zur Herstellung hochreiner Erzeugnisse aus Aluminium oder Silizium dient.The crystalline silicon nitride can thus be formed essentially free of carbon, hydrogen, oxygen and/or metals. The surface layer is then essentially free of impurities which could diffuse out of the surface layer, for example when the porous body is used at high temperatures. The surface layer can also be applied to a filter body, which is used to produce high-purity products made of aluminum or silicon.

Das kristalline Siliziumnitrid kann in den Modifikationen trigonal (α-Si₃N₄), hexagonal (β-Si₃N₄) und/oder kubisch (γ-Si₃N₄) ausgebildet werden. Die Modifikationen können durch eine Einstellung von Prozessparametern hergestellt werden. So kann auch ein Anteil an bestimmten Kristallflächen beeinflusst werden, welcher wiederum Einfluss auf physikalische Eigenschaften der Oberflächenschicht hat. Insgesamt wird so eine Morphologie der Oberflächenschicht durch die Ausbildung der verschiedenen Siliziumnitridkristalle der Oberflächenschicht beeinflussbar. Die Siliziumnitridkristalle können beispielsweise pyramidenförmig oder sphärisch sein, was einen Einfluss auf ein physikalisches Verhalten der Oberflächenschicht gegenüber anderen Materialien hat. Beispielsweise kann so eine Benetzbarkeit der Oberflächenschicht beeinflusst und gegebenenfalls ein sogenannter Lotuseffekt zwischen der Oberflächenschicht und einer Schmelze erzielt werden, sodass eine Verunreinigung der Schmelze ausgeschlossen wird und eine Standzeit des betreffenden porösen Körpers verlängert werden kann. Darüber hinaus ist durch die Ausbildung der Modifikation eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit der Oberflächenschicht erzielbar.The crystalline silicon nitride can be formed in the modifications trigonal (α-Si ₃ N ₄ ), hexagonal (β-Si ₃ N ₄ ) and/or cubic (γ-Si ₃ N ₄ ). The modifications can be made by adjusting process parameters. In this way, a proportion of certain crystal faces can also be influenced, which in turn influences the physical properties of the surface layer. Overall, a morphology of the surface layer can be influenced by the formation of the different silicon nitride crystals of the surface layer. For example, the silicon nitride crystals can be pyramidal or spherical, which has an impact on a physical behavior of the surface layer compared to other materials. For example, the wettability of the surface layer can be influenced in this way and a so-called lotus effect can be achieved between the surface layer and a melt, so that contamination of the melt is ruled out and the service life of the porous body in question can be extended. In addition, improved corrosion resistance of the surface layer can be achieved through the formation of the modification.

In einer Variante des Verfahrens kann bei der chemischen Gasphaseninfiltration der Basiskörper in einer Prozesskammer auf die Prozesstemperatur aufgeheizt und eine Gasmischung mit zumindest einer siliziumhaltigen und einer stickstoffhaltigen Verbindung der Prozesskammer dosiert zugeführt werden, wobei die Oberflächenschicht aus Siliziumnitrid innerhalb der Poren des Basiskörpers auf den Basiskörper abgeschieden werden kann.In a variant of the method, during chemical gas phase infiltration, the base body can be heated to the process temperature in a process chamber and a gas mixture with at least one compound containing silicon and one compound containing nitrogen can be metered into the process chamber, with the surface layer of silicon nitride being deposited on the base body within the pores of the base body can be.

Die Gasmischung kann innerhalb einer Prozessgasdüse in der Prozesskammer ausgebildet werden. So kann eine Reaktion der jeweiligen Prozessgase außerhalb der Prozesskammer vermieden werden. Beispielsweise können ein silanhaltiges Gasgemisch und ein stickstoffhaltiges Gas der Prozesskammer getrennt zugeführt werden, wobei dann beide Gasgemische erst innerhalb der Prozessgasdüse in der Prozesskammer miteinander vermischt werden können. So wird die Ausbildung der Gasmischung erst innerhalb der Prozesskammer mit einer Ausbildung einer besonders reinen Oberflächenschicht aus kristallinem Siliziumnitrid begünstigt. Insbesondere kann sichergestellt werden, dass eine Reaktion der betreffenden Gase bei den gewünschten, beziehungsweise den zur Ausbildung der Oberflächenschicht erforderlichen Prozessparametern erfolgt.The gas mixture can be formed within a process gas nozzle in the process chamber. In this way, a reaction of the respective process gases outside the process chamber can be avoided become. For example, a gas mixture containing silane and a gas containing nitrogen can be supplied separately to the process chamber, in which case the two gas mixtures can only be mixed with one another inside the process gas nozzle in the process chamber. Thus, the formation of the gas mixture is promoted only inside the process chamber with the formation of a particularly pure surface layer of crystalline silicon nitride. In particular, it can be ensured that a reaction of the gases in question takes place with the process parameters desired or required for the formation of the surface layer.

In einer weiteren Variante des Verfahrens kann bei der chemischen Gasphaseninfiltration der Basiskörper in einer Prozesskammer auf die Prozesstemperatur aufgeheizt und ein Gas mit zumindest einer siliziumhaltigen Verbindung der Prozesskammer dosiert zugeführt werden, wobei die Oberflächenschicht aus Silizium innerhalb der Poren des Basiskörpers auf den Basiskörper abgeschieden werden kann, wobei nachfolgend ein Gas mit zumindest einer stickstoffhaltigen Verbindung der Prozesskammer dosiert zugeführt werden kann, wobei das Silizium der Oberflächenschicht in Siliziumnitrid umgewandelt wird. Folglich kann das Verfahren auch zweistufig ausgeführt werden, nämlich durch eine Ausbildung der Oberflächenschicht als Siliziumschicht, wobei die Siliziumschicht mit einer Schichtdicke und Kristallstruktur bereits entsprechend der abschließend gewünschten Oberflächenschicht durch Einstellung der Prozessparameter ausgebildet werden kann. Nach der Ausbildung der Schicht aus Silizium kann durch Zuführen eines stickstoffhaltigen Gases und durch eine chemische Reaktion der Siliziumschicht mit dem mit Stickstoff aus der Gasphase die Siliziumschicht in Siliziumnitrid umgewandelt werden. Folglich kann mittels des weiteren Verfahrensschrittes die Siliziumschicht nitridiert und in die Oberflächenschicht aus kristallinem Siliziumnitrid umgewandelt werden. Beispielsweise kann dann auch auf dem Basiskörper eine Beschichtung ausgebildet werden, die mehrschichtig ist, wobei auf einer auf dem Basiskörper abgeschiedenen Schicht aus Silizium eine Diffusionsschicht aus kristallinem Siliziumnitrid ausgebildet ist, die die Oberflächenschicht ausbildet.In a further variant of the method, during chemical gas phase infiltration, the base body can be heated to the process temperature in a process chamber and a gas with at least one silicon-containing compound can be metered into the process chamber, it being possible for the surface layer of silicon to be deposited on the base body within the pores of the base body , It being possible for a gas with at least one nitrogen-containing compound to be fed to the process chamber in doses, with the silicon of the surface layer being converted into silicon nitride. Consequently, the method can also be carried out in two stages, namely by forming the surface layer as a silicon layer, wherein the silicon layer can already be formed with a layer thickness and crystal structure corresponding to the finally desired surface layer by setting the process parameters. After the formation of the layer of silicon, the silicon layer can be converted into silicon nitride by supplying a nitrogen-containing gas and by chemically reacting the silicon layer with the nitrogen from the gas phase. Consequently, the silicon layer can be nitrided and converted into the surface layer of crystalline silicon nitride by means of the further process step. For example, a multilayer coating can then also be formed on the base body, with a diffusion layer of crystalline silicon nitride being formed on a layer of silicon deposited on the base body, which forms the surface layer.

Auch während oder nach der Ausbildung der Oberflächenschicht aus Silizium kann das Gas mit der siliziumhaltigen Verbindung der Prozesskammer zugeführt werden. So kann dann bereits vor einer abschließenden Ausbildung der Schicht aus Silizium auf dem Basiskörper im Rahmen eines ersten Arbeitsschrittes der weitere Arbeitsschritt begonnen werden, sodass ebenfalls eine mehrschichte Beschichtung erhalten werden kann. Es ist jedoch auch möglich, die Arbeitsschritte vollkommen getrennt voneinander auszuführen und gegebenenfalls auch so eine ein- oder mehrschichte Beschichtung beziehungsweise Oberflächenschicht zu erhalten.The gas with the silicon-containing compound can also be supplied to the process chamber during or after the formation of the surface layer of silicon. Thus, before a final formation of the layer of silicon on the base body, the further work step can be started as part of a first work step, so that a multi-layer coating can also be obtained. However, it is also possible to carry out the work steps completely separately from one another and, if appropriate, to obtain a single-layer or multi-layer coating or surface layer in this way.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die siliziumhaltige und die stickstoffhaltige Verbindung im Verhältnis 1:20, bevorzugt 1:2, besonders bevorzugt 1:1 der Prozesskammer zugeführt wird. Beispielsweise können bei einer Zusammensetzung der siliziumhaltigen und der stickstoffhaltigen Verbindung im Verhältnis <1:20, insbesondere 1:2 oder 1:1, trigonale Siliziumnitridmodifikationen erhalten werden. Bei einer Zusammensetzung im Verhältnis >1:20 können aber auch Mischungen aus einer trigonalen und einer hexagonalen Modifikation hergestellt werden. It is particularly advantageous if the silicon-containing and the nitrogen-containing compound are supplied to the process chamber in a ratio of 1:20, preferably 1:2, particularly preferably 1:1. For example, with a composition of the silicon-containing and the nitrogen-containing compound in a ratio of <1:20, in particular 1:2 or 1:1, trigonal silicon nitride modifications can be obtained. With a composition in the ratio >1:20, however, mixtures of a trigonal and a hexagonal modification can also be produced.

Weiter hat sich herausgestellt, dass mit einer steigenden Temperatur auch eine Größe der Kristalle zunehmen kann. Insbesondere die trigonale Siliziumnitridmodifikation kann bei einer Prozesstemperatur von 1.300 °C bis 1.500 °C erzeugt werden. So ist es möglich, gezielt eine Siliziumnitridmodifikation in der Oberflächenschicht, und damit die physikalischen Eigenschaften der Oberflächenschicht mit dem Verfahren zu beeinflussen.It has also been found that the size of the crystals can also increase with increasing temperature. In particular, the trigonal silicon nitride modification can be produced at a process temperature of 1,300 °C to 1,500 °C. It is thus possible to use the method to influence a silicon nitride modification in the surface layer in a targeted manner and thus the physical properties of the surface layer.

Weiter kann vorgesehen sein, die Prozesskammer mittels eines Widerstandsheizers oder induktiv zu beheizen. Eine Beheizung mittels Mikrowelle, Infrarot oder eine Ausbildung eines Plasmas ist dann nicht erforderlich. Der Widerstandsheizer kann lediglich dazu dienen, die Prozesstemperatur in der Prozesskammer beziehungsweise am zu infiltrierenden Basiskörper auszubilden. Das Verfahren wird dadurch wesentlich kostengünstiger durchführbar.Provision can also be made for the process chamber to be heated by means of a resistance heater or inductively. Heating by means of microwaves, infrared or the formation of a plasma is then not required. The resistance heater can only be used to set the process temperature in the process chamber or on the base body to be infiltrated. As a result, the method can be carried out much more cost-effectively.

Als eine stickstoffhaltige Verbindung kann Ammoniak und/oder Stickstoff, und als siliziumhaltige Verbindung Silan, vorzugsweise Monosilan, Disilan, Trisilan, Dichlorsilan, Tetrachlorsilan, und/oder Trichlorsilan verwendet werden. Auch ist es möglich, durch eine Änderung eines Silan - Stickstoffverhältnisses bei gleichbleibender Modifikation eine Kristallform zu beeinflussen, um beispielsweise eine Textur oder Vorzugsorientierung innerhalb der Oberflächenschicht zu erhalten.Ammonia and/or nitrogen can be used as a nitrogen-containing compound, and silane, preferably monosilane, disilane, trisilane, dichlorosilane, tetrachlorosilane, and/or trichlorosilane, can be used as a silicon-containing compound. It is also possible to influence a crystal form by changing a silane-nitrogen ratio while the modification remains the same, in order to obtain a texture or preferred orientation within the surface layer, for example.

Optional kann als ein weiteres Gas Wasserstoff, Chlorwasserstoff und Argon verwendet werden. Diese Gase können mit der stickstoffhaltigen Verbindung beziehungsweise der siliziumhaltigen Verbindung gemischt oder der Prozesskammer getrennt zugegeben werden.Hydrogen, hydrogen chloride and argon can optionally be used as another gas. These gases can be mixed with the nitrogen-containing compound or the silicon-containing compound or added separately to the process chamber.

Claims (20)

Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers, wobei ein poröser, aus Kohlenstoff bestehender Basiskörper mittels chemischer Gasphaseninfiltration (CVI) infiltriert wird, wobei der Basiskörper mit Siliziumnitrid (Si₃N₄) infiltriert wird, wobei bei dem Infiltrieren des Basiskörpers zumindest eine Oberflächenschicht aus dem Siliziumnitrid innerhalb von Poren des Basiskörpers ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass nachfolgend der Kohlenstoff des Basiskörpers mittels Verbrennung aufgezehrt wird, derart, dass ein offen poröser, aus dem Siliziumnitrid bestehender Körper erhalten wird.A method for producing a porous body, wherein a porous base body made of carbon is infiltrated by means of chemical vapor phase infiltration (CVI), the base body being infiltrated with silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), wherein at least one surface layer of the silicon nitride is infiltrated when the base body is infiltrated is formed within pores of the base body, characterized in that the carbon of the base body is subsequently consumed by combustion in such a way that an openly porous body consisting of the silicon nitride is obtained. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als poröser Körper ein Filterkörper oder Isolationskörper hergestellt wird.procedure after claim 1 , characterized in that a filter body or insulating body is produced as the porous body. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper aus textilen Fasergelegen, Faserfilz oder Schaum ausgebildet wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the base body is formed from textile fiber fabrics, fiber felt or foam. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Infiltrieren des Basiskörpers mittels der chemischen Gasphaseninfiltration (CVI) bei einer Prozesstemperatur von über 800 °C bis 1700 °C, bevorzugt über 1000 °C bis 1550 °C, besonders bevorzugt über 1300 °C bis 1500 °C erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the infiltration of the base body by means of chemical vapor phase infiltration (CVI) at a process temperature of over 800 °C to 1700 °C, preferably over 1000 °C to 1550 °C, particularly preferably over 1300 ° C to 1500 °C. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht des Basiskörpers mit einer Schichtdicke von 1 µm bis 100 µm, bevorzugt von 1 µm bis 50 µm, und besonders bevorzugt von 5 µm bis 10 µm ausgebildet wird, derart, dass ein offen poröser Körper ausgebildet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface layer of the base body is formed with a layer thickness of 1 µm to 100 µm, preferably from 1 µm to 50 µm, and particularly preferably from 5 µm to 10 µm, such that an open porous body is formed. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht bei einem Druck in einer Prozesskammer von >1 mbar bis 300 mbar, bevorzugt von >1 mbar bis 60 mbar auf dem Basiskörper ausgebildet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface layer is formed on the base body at a pressure in a process chamber of >1 mbar to 300 mbar, preferably of >1 mbar to 60 mbar. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht des Basiskörpers mit einer Schichtdicke ausgebildet wird, derart dass bei dem Infiltrieren des Basiskörpers Poren im Material des Basiskörpers mit dem Siliziumnitrid geschlossen oder ausgefüllt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface layer of the base body is formed with a layer thickness such that when the base body is infiltrated, pores in the material of the base body are closed or filled with the silicon nitride. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper vollständig mit dem Siliziumnitrid infiltriert wird.procedure after claim 7 , characterized in that the base body is completely infiltrated with the silicon nitride. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper mit amorphen, bevorzugt teilkristallinen, besonders bevorzugt kristallinen Siliziumnitrid (Si₃N₄) infiltriert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the base body is infiltrated with amorphous, preferably partially crystalline, particularly preferably crystalline silicon nitride (Si ₃ N ₄ ). Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht aus stöchiometrischen, kristallinen Siliziumnitrid ausgebildet wird.procedure after claim 9 , characterized in that the surface layer is formed from stoichiometric, crystalline silicon nitride. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das kristalline Siliziumnitrid frei von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und/oder Metallen ausgebildet wird.procedure after claim 9 or 10 , characterized in that the crystalline silicon nitride is formed free of carbon, hydrogen, oxygen and/or metals. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das kristalline Siliziumnitrid in den Modifikationen trigonal (α-Si₃N₄), hexagonal (β-Si₃N₄) und/oder kubisch (γ-Si₃N₄) ausgebildet wird.Procedure according to one of claims 9 until 11 , characterized in that the crystalline silicon nitride is formed in the modifications trigonal (α-Si ₃ N ₄ ), hexagonal (β-Si ₃ N ₄ ) and/or cubic (γ-Si ₃ N ₄ ). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der chemischen Gasphaseninfiltration der Basiskörper in einer Prozesskammer auf die Prozesstemperatur aufgeheizt und eine Gasmischung mit zumindest einer siliziumhaltigen und einer stickstoffhaltigen Verbindung der Prozesskammer dosiert zugeführt wird, wobei die Oberflächenschicht aus Siliziumnitrid innerhalb der Poren des Basiskörpers auf dem Basiskörper abgeschieden wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during chemical gas phase infiltration the base body is heated to the process temperature in a process chamber and a gas mixture with at least one compound containing silicon and one compound containing nitrogen is metered into the process chamber, with the surface layer of silicon nitride inside the pores of the Base body is deposited on the base body. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmischung innerhalb einer Prozessgasdüse in der Prozesskammer ausgebildet wird.procedure after Claim 13 , characterized in that the gas mixture is formed within a process gas nozzle in the process chamber. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der chemischen Gasphaseninfiltration der Basiskörper in einer Prozesskammer auf die Prozesstemperatur aufgeheizt und ein Gas mit zumindest einer siliziumhaltigen Verbindung der Prozesskammer dosiert zugeführt wird, wobei die Oberflächenschicht aus Silizium innerhalb der Poren des Basiskörpers auf dem Basiskörper abgeschieden wird, wobei nachfolgend ein Gas mit zumindest einer stickstoffhaltigen Verbindung der Prozesskammer dosiert zugeführt wird, wobei das Silizium der Oberflächenschicht in Siliziumnitrid umgewandelt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 12 , characterized in that during chemical gas phase infiltration the base body is heated to the process temperature in a process chamber and a gas containing at least one compound containing silicon is metered into the process chamber, with the surface layer of silicon being deposited on the base body within the pores of the base body, with the following a gas with at least one nitrogen-containing compound is metered into the process chamber, with the silicon of the surface layer being converted into silicon nitride. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass während oder nach der Ausbildung der Oberflächenschicht aus Silizium das Gas mit der siliziumhaltigen Verbindung der Prozesskammer zugeführt wird.procedure after claim 15 , characterized in that the gas with the silicon-containing compound is supplied to the process chamber during or after the formation of the surface layer of silicon. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die siliziumhaltige und die stickstoffhaltige Verbindung im Verhältnis 1:20, bevorzugt 1:2, besonders bevorzugt 1:1 der Prozesskammer zugeführt wird.Procedure according to one of Claims 13 until 16 , characterized in that the silicon halide term and the nitrogen-containing compound is fed to the process chamber in a ratio of 1:20, preferably 1:2, particularly preferably 1:1. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer mittels Widerstandsheizer oder induktiv beheizt wird.Procedure according to one of Claims 13 until 17 , characterized in that the process chamber is heated by means of resistance heaters or inductively. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dass als stickstoffhaltige Verbindung Ammoniak und/oder Stickstoff, und als siliziumhaltige Verbindung Silan, vorzugsweise Monosilan, Disilan, Trisilan, Dichlorsilan, Tetrachlorsilan, und/oder Trichlorsilan verwendet wird.Procedure according to one of Claims 13 until 18 that ammonia and/or nitrogen is used as the nitrogen-containing compound and silane, preferably monosilane, disilane, trisilane, dichlorosilane, tetrachlorosilane, and/or trichlorosilane, is used as the silicon-containing compound. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Gas Wasserstoff, Chlorwasserstoff und/oder Argon verwendet wird.Procedure according to one of Claims 13 until 19 , characterized in that hydrogen, hydrogen chloride and/or argon is used as the further gas.