DE19739881A1 - Production of crystalline silicon carbide - Google Patents

Production of crystalline silicon carbide

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Abstract

The crystallization of pyrolyzed polysilylcarbodi-imides or amorphous silicon carbonitrides at high temperature gives pure silicon carbide, nitrogen- or carbon- doped silicon carbide or crystalline silicon carbide with an amorphous component. A process for the production of pure silicon carbide (SiC), nitrogen- or carbon-doped SiC, or crystalline SiC with an amorphous component involves the crystallization of: (1) amorphous pyrolysis products of polysilyl-carbodi-imides (PSCDI) (except poly(methylsilsesquicarbodi-imide)) or (2) amorphous silicon carbonitrides (SiCN) of formula Si1CyNx (with y = 0.8-1.2), which are obtained by pyrolysis of preceramic Si-C-N-H-(O) polymers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von kristallinem Siliciumcarbid aus Polysilylcarbodiimiden und Siliciumcarbonitriden. Das Siliciumcarbid kann rein dargestellt werden. Auch eine partielle Dotierung mit Kohlenstoff und Stickstoff ist möglich.The present invention relates to a novel method for producing crystalline silicon carbide from polysilylcarbodiimides and silicon carbonitrides. The silicon carbide can be represented purely. Partial doping with Carbon and nitrogen are possible.

Aus technischer Sicht ist Siliciumcarbid die bedeutendste Nichtoxidkeramik. Die weltweite Produktion liegt bei ca. 1×106 jato. Amorphe und kristalline Keramiken im ternären Si-C-N System können durch die Pyrolyse von Si-C-N-H-(O) Polymeren hergestellt werden. Polysilylcarbodiimide sind eine spezielle Polymerklasse dieses Systems.From a technical point of view, silicon carbide is the most important non-oxide ceramic. Worldwide production is around 1 × 10 6 t.Amorphous and crystalline ceramics in the ternary Si-CN system can be produced by pyrolysis of Si-CNH (O) polymers. Polysilylcarbodiimides are a special class of polymers in this system.

Die Darstellung der präkeramischen Si-C-N-H-(O) Polymere und der Polysilylcarbodiimide wird in mehreren Patenten beschrieben und ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.The representation of the preceramic Si-C-N-H- (O) polymers and the Polysilylcarbodiimide is described in several patents and is not Subject of this invention.

Die deutsche Patentanmeldung 197 24 938. 8 vom 12.06.1997 beschreibt die Synthese von Siliciumcarbid aus Poly(methylsilsesquicarbodiimid). Dabei wird das Pyrolysat von Poly(methylsilsesquicarbodiimid) bei Temperaturen größer 1300°C in verschiedenen Atmosphären kristallisiert. Man erhält β-Siliciumcarbid. Dieser Darstellungsweg von Siliciumcarbid ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.German patent application 197 24 938.8 of June 12, 1997 describes the Synthesis of silicon carbide from poly (methylsilsesquicarbodiimide). It will Pyrolysate of poly (methylsilsesquicarbodiimide) at temperatures above 1300 ° C crystallized in different atmospheres. Β-silicon carbide is obtained. This Representation of silicon carbide is not the subject of this invention.

Es wurde nun gefunden, daß alle Polysilylcarbodiimide der allgemeinen Formel [RSi(NCN)1.5]n zu Siliciumcarbid kristallisieren. Der Substituent R entspricht Alkyl-, Aryl- und Wasserstoff-Resten. Auch bifunktionelle Polysilylcarbodiimide der allgemeinen Formel [R0-1R'0-1Si-(X)m-SiR''0-1R'''0-1(NCN)1-3]n kristallisieren zu Siliciumcarbid. Hier sind die Substituenten R und R' ebenfalls Alkyl-, Aryl- und Wasserstoffreste, können aber auch weitere Carbodiimidbrücken darstellen. Das X repräsentiert ein kohlenwasserstoff- oder stickstoffhaltiges Brückenglied. Bei Disilanen ist m = 0.It has now been found that all polysilylcarbodiimides of the general formula [RSi (NCN) 1.5 ] n crystallize to form silicon carbide. The substituent R corresponds to alkyl, aryl and hydrogen radicals. Bifunctional polysilylcarbodiimides of the general formula [R 0-1 R ' 0-1 Si (X) m -SiR'' 0-1 R''' 0-1 (NCN) 1-3 ] n also crystallize to form silicon carbide. Here the substituents R and R 'are also alkyl, aryl and hydrogen radicals, but can also represent further carbodiimide bridges. The X represents a hydrocarbon or nitrogen-containing bridge member. For disilanes, m = 0.

Wissenschaftlicher Hintergrund der ErfindungScientific background of the invention

Nach der Pyrolyse bei 1200°C ist bei den beschriebenen Polysilylcarbodiimiden das Verhältnis Silicium/Kohlenstoff ca. 1/1, unabhängig vom Substituenten R. Dieser spaltet sich teilweise bei der Pyrolyse ab oder wandert an der polymeren Hauptkette vom Silicium zum Kohlenstoff der Carbodiimidgruppe. Dies bedingt die Freisetzung von RH (bei Abspaltung des Restes R) und die Ausgasung von R-CN (bei Wanderung von R an der Hauptkette). Dieser Pyrolysemechanismus ist auch auf die substituierten bifunktionellen Polysilylcarbodiimide übertragbar und wurde noch nicht in der Literatur beschrieben.After pyrolysis at 1200 ° C is the described polysilylcarbodiimides the silicon / carbon ratio about 1/1, regardless of the substituent R. This partly splits off during pyrolysis or migrates to the polymer Main chain from silicon to carbon of the carbodiimide group. This requires the Release of RH (when the residue R is split off) and outgassing of R-CN (when moving from R to the main chain). This pyrolysis mechanism is too transferable to the substituted bifunctional polysilylcarbodiimides and became not yet described in the literature.

Des weiteren wurde gefunden, daß alle amorphen Siliciumcarbonitride der allgemeinen Formel Si1C0.8-1.2Nx bei Temperaturen oberhalb 1300°C zu Siliciumcarbid kristallisieren (vergl. Abb. 1). Diese Siliciumcarbonitride werden durch Pyrolyse von präkeramischen Si-C-N-H-(O) Polymeren hergestellt. Furthermore, it was found that all amorphous silicon carbonitrides of the general formula Si 1 C 0.8-1.2 N x crystallize to silicon carbide at temperatures above 1300 ° C. (cf. Fig. 1). These silicon carbonitrides are produced by pyrolysis of preceramic Si-CNH (O) polymers.

BeispieleExamples Allgemeine KristallisationsbedingungenGeneral crystallization conditions

Die Kristallisation wird in einem Graphitofen bei Temperaturen größer 1300°C durchgeführt. Die Aufheizrate beträgt jeweils 2°C/min, ist jedoch für die Kristallisation von untergeordneter Rolle. Die Kristallisationsatmosphäre wurde variiert (Stickstoff, Helium, Argon als Inertgas; Kohlenwasserstoffe, Ammoniak als Reaktivgasatmosphäre). Die folgenden Kristallisationsbeispiele wurden in Argon durchgeführt:
Crystallization is carried out in a graphite furnace at temperatures above 1300 ° C. The heating rate is 2 ° C / min in each case, but is of minor importance for the crystallization. The crystallization atmosphere was varied (nitrogen, helium, argon as an inert gas; hydrocarbons, ammonia as a reactive gas atmosphere). The following crystallization examples were carried out in argon:

  • 1. Bei der Pyrolyse von Poly(phenylsilsesquicarbodiimid) [C6H5Si(NCN)1.5]n bei 1200° C wird ein amorphes Pyrolysat der Zusammensetzung Si1C12N17 erhalten.
    Die Kristallisation bei 1600°C ergibt Siliciumcarbid der Zusammensetzung Si1C0.95N0.05.
    1. In the pyrolysis of poly (phenylsilsesquicarbodiimide) [C 6 H 5 Si (NCN) 1.5 ] n at 1200 ° C., an amorphous pyrolysate with the composition Si 1 C 12 N 17 is obtained.
    Crystallization at 1600 ° C. gives silicon carbide with the composition Si 1 C 0.95 N 0.05 .
  • 2. Bei der Pyrolyse von Poly(silsesquicarbodiimid) [HSi(NCN)1.5]n bei 1200°C wird ein amorphes Pyrolysat der Zusammensetzung Si1C0.8N1.9 erhalten. Die Kristallisation bei 1600°C ergibt Siliciumcarbid der Zusammensetzung Si1C1.05.2. When pyrolysis of poly (silsesquicarbodiimide) [HSi (NCN) 1.5 ] n at 1200 ° C., an amorphous pyrolysate with the composition Si 1 C 0.8 N 1.9 is obtained. Crystallization at 1600 ° C. gives silicon carbide with the composition Si 1 C 1.05 .
  • 3. Bei der Pyrolyse von Poly(tert.-butylsilsesquicarbodiimid) [C4H9Si(NCN)1.5]n bei 1200°C wird ein amorphes Pyrolysat der Zusammensetzung Si1C1.1N1.4 erhalten. Die Kristallisation bei 1600°C ergibt Siliciumcarbid der Zusammensetzung Si1C0.95N0.05.3. In the pyrolysis of poly (tert-butylsilsesquicarbodiimide) [C 4 H 9 Si (NCN) 1.5 ] n at 1200 ° C., an amorphous pyrolysate with the composition Si 1 C 1.1 N 1.4 is obtained. Crystallization at 1600 ° C. gives silicon carbide with the composition Si 1 C 0.95 N 0.05 .
  • 4. Bei der Pyrolyse von Poly(disilantricarbodiimid) [Si2(NCN)3]n bei 1200°C wird ein amorphes Pyrolysat der Zusammensetzung Si1C1.1N25 erhalten. Die Kristallisation bei 1600°C ergibt Siliciumcarbid der Zusammensetzung Si1C0.9N0.1. 4. When pyrolysis of poly (disilane tricarbodiimide) [Si 2 (NCN) 3 ] n at 1200 ° C., an amorphous pyrolysate with the composition Si 1 C 1.1 N 25 is obtained. Crystallization at 1600 ° C gives silicon carbide with the composition Si 1 C 0.9 N 0.1 .
  • 5. Bei der Pyrolyse eines Polysilazangemisches bei 1200°C wird ein amorphes Pyrolysat der Zusammensetzung Si1C1.02N1.5 erhalten. Die Kristallisation bei 1600°C ergibt Siliciumcarbid der Zusammensetzung Si1N0.95N0.05.5. In the pyrolysis of a polysilazane mixture at 1200 ° C., an amorphous pyrolysate with the composition Si 1 C 1.02 N 1.5 is obtained. Crystallization at 1600 ° C. gives silicon carbide with the composition Si 1 N 0.95 N 0.05 .

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von reinem Siliciumcarbid, mit stickstoffdotiertem Siliciumcarbid, mit kohlenstoffdotiertem Siliciumcarbid und kristallinem Siliciumcarbid mit amorphem Anteil bei der Kristallisation von amorphem Polysilylcarbodiimid-Pyrolysat. Die Kristallisation von Poly(methylsilsesqui­ carbodiimid) ist hierbei ausgenommen.1. Process for the production of pure silicon carbide, with nitrogen-doped Silicon carbide, with carbon-doped silicon carbide and crystalline Silicon carbide with an amorphous content in the crystallization of amorphous Polysilyl carbodiimide pyrolysate. The crystallization of poly (methylsilsesqui carbodiimide) is excluded. 2. Verfahren zur Herstellung von reinem Siliciumcarbid, mit stickstoffdotiertem Siliciumcarbid und mit kohlenstoffdotiertem Siliciumcarbid bei der Kristallisation von amorphen Siliciumcarbonitriden der allgemeinen Formel Si1C0.8-1.2Nx. Diese Siliciumcarbonitride werden durch Pyrolyse von präkeramischen Si-C-N-H-(O) Polymeren hergestellt. Die Darstellung dieser Polymere ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.2. Process for the production of pure silicon carbide, with nitrogen-doped silicon carbide and with carbon-doped silicon carbide in the crystallization of amorphous silicon carbonitrides of the general formula Si 1 C 0.8-1.2 N x . These silicon carbonitrides are produced by pyrolysis of preceramic Si-CNH (O) polymers. The representation of these polymers is not the subject of this invention. 3. Gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Temperaturen größer 1300°C kristallisiert wird.3. According to claim 1 and 2, characterized in that at temperatures is crystallized above 1300 ° C. 4. Gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Inertgas­ atmosphäre, bevorzugt in Stickstoff und Argon kristallisiert wird.4. According to claim 1 and 2, characterized in that in inert gas atmosphere, preferably crystallized in nitrogen and argon. 5. Gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reaktivgasatmosphäre, bevorzugt in Kohlenwasserstoffen und Ammoniak kristallisiert wird.5. According to claim 1 and 2, characterized in that in Reactive gas atmosphere, preferably in hydrocarbons and ammonia is crystallized. 6. Gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Gasgemischen kristallisiert wird.6. According to claim 1 and 2, characterized in that in gas mixtures is crystallized. 7. Gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in reduzierender Atmosphäre kristallisiert wird.7. According to claim 1 and 2, characterized in that in reducing Atmosphere is crystallized. 8. Gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Pyrolysegemische aus verschiedenen Polysilylcarbodiimiden kristallisiert werden. 8. According to claim 1, characterized in that pyrolysis mixtures different polysilylcarbodiimides can be crystallized.   9. Gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Pyrolysat aus Polysilylcarbodiimidgemischen kristallisiert werden.9. According to claim 1, characterized in that pyrolysate Polysilylcarbodiimidgemischen be crystallized. 10. Gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Gemische aus verschiedenen Siliciumcarbonitriden kristallisiert werden.10. According to claim 2, characterized in that mixtures of various silicon carbonitrides can be crystallized. 11. Gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, Gemische aus pyrolysierten Polysilylcarbodiimiden und Siliciumcarbonitriden kristallisiert werden.11. According to claim 1 and 2, characterized, mixtures of pyrolyzed polysilylcarbodiimides and silicon carbonitrides can be crystallized. 12. Gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumcarbid in Form von Fasern, Whiskern, Monolithen, Schichten und Pulvern kristallisiert wird.12. According to claim 1 and 2, characterized in that the silicon carbide is crystallized in the form of fibers, whiskers, monoliths, layers and powders.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1331743C (en) * 2006-03-02 2007-08-15 浙江理工大学 Process for preparing test tube brush type silicon carbide

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