DE3619888A1 - Verfahren zur herstellung von siliciumnitrid - Google Patents
Verfahren zur herstellung von siliciumnitridInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines Whiskers von Siliciumnitrid, insbesondere
ein Verfahren zur Herstellung eines Whiskers
von Siliciumnitrid, welcher mit Metall gut verträglich
ist zur Zeit der Herstellung eines faserverstärkten
Metalls.
Um Siliciumnitrid herzustellen, wurden bisher
verschiedene Verfahren durchgeführt, wie in den folgenden
chemischen Reaktionsgleichungen gezeigt. Diese Verfahren
schließen ein Verfahren, welches die Reduktion
von Siliciumdioxid hoher Reinheit mit Koks bei hoher
Temperatur gemäß der chemischen Reaktionsgleichung
(1) umfaßt, ein Verfahren, welches die Reaktion von
Siliciumtetrachlorid mit Ammoniak in einer Dampfphase
gemäß der Reaktionsgleichung (2) umfaßt, ein Verfahren,
welches die Zersetzung von Siliciumimid in einer Dampfphase
(Gleichung (3)) umfaßt, und ein Verfahren,
welches die direkte Nitrierung von Siliciummetall
Gleichung (4)) umfaßt, ein:
Bei der Herstellung von Siliciumnitrid mit den bekannten
Verfahren ist es schwierig, das Produkt von den
Ausgangsmaterialien ausreichend zu trennen. Deshalb
wird kein hochreines Siliciumnitrid erhalten. Wenn ein
weniger reines Siliciumnitrid als Verstärkungsmaterial
für faserverstärkte Metalle (im nachfolgenden als "FRM"
bezeichnet) verwendet wird, ist das Siliciumnitrid mit
dem Metall nicht verträglich, weshalb kein FRM mit
guten Eigenschaften erhalten wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein
Verfahren zur Herstellung von faserigem Siliciumnitrid
mit ausgezeichneten Eigenschaften zur Verfügung zu
stellen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, das
Polycarbosilan in Form von Pulver oder gesponnenen Fasern
bzw. Spinnfasern bei 1300°C oder mehr in einer Ammoniakatmosphäre
gefeuert wird. Dadurch wird ein Whisker von Siliciumnitrid
erhalten, der bei Verwendung zur Herstellung
eines faserverstärkten Metalls (FRM) zu einem FRM mit
ausgezeichneten Eigenschaften führt.
Erfindungsgemäß wird ein Whisker von Siliciumnitrid
durch Brennen oder Feuern von Polycarbosilan in Form
von Pulver oder gesponnenen Fasern bei 1300°C oder
mehr in einer Ammoniakgasatmosphäre erhalten.
Das Polycarbosilan besitzt die folgende Formel
worin
R1 und R2, die gleich oder verschieden sein können, jeweils eine Alkylgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen oder eine Phenylgruppe bedeuten und
n eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist.
R1 und R2, die gleich oder verschieden sein können, jeweils eine Alkylgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen oder eine Phenylgruppe bedeuten und
n eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist.
Die Reaktion zur Herstellung des gewünschten Siliciumnitrids
wird durch die folgende Reaktionsgleichung
gezeigt:
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Figuren näher
erläutert.
Fig. 1 ist ein Röntgenbeugungsbild von erfindungsgemäß
erhaltenen Siliciumnitrid.
Fig. 2 ist eine Mikrophotographie (Vergrößerung:
3000) des Siliciumnitrids der Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung einer Vorrichtung zur
Herstellung des Siliciumnitrids.
Im folgenden wird eine übliche Vorrichtung zur Synthese
von Siliciumnitrid mit Bezug auf die Figuren erläutert.
In Fig. 3 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Bombe von
Stickstoffgas mit hoher Reinheit, 2 eine Bombe von
Ammoniakgas mit hoher Reinheit, 3 und 4 jeweils
Durchfluß- bzw. Strömungsmesser und 5 und 6 jeweils
Absperrventile. Die Bezugsziffer 7 bezeichnet einen
Gasmischer von Ammoniak- und Stickstoffgasen, Rohre
zur Zufuhr der Ammoniak- und Stickstoffgase in den
Mischer, die mit Rückschlagventilen 8 und 9 versehen
sind. Eine Mischung der Stickstoff- und Ammoniakgase
wird in einer Trocknungssäule 10 getrocknet, um in
einen Feuerungsofen 11 eingeführt zu werden.
Beim Feuern in dem Feuerungsofen 11 wird Polycarbosilan
in einem Schiff bzw. Schiffchen eingetragen, woraufhin der Druck in dem Ofen mittels einer Vakuumpumpe 12
verringert wird und anschließend erwärmt wird,
während eine Mischung der Ammoniak- und Stickstoffgase
in den Ofen eingeleitet wird, wodurch das Polycarbosilan
in dem Ofen in das gewünschte Siliciumnitrid
überführt wird. Weiterhin bezeichnet die Bezugsziffer
13 in der Figur ein Manometer und 14 eine Auffangvorrichtung
zur Verhinderung eines Rückflusses.
Das erfindungsgemäß erhaltene Siliciumnitrid besitzt
die Form eines Whiskers, und wenn es zur Herstellung
eines FRM verwendet wird, ist es mit einem Metall gut
verträglich aufgrund seines niedrigen Gehalts an
Verunreinigungen, wodurch ein FRM mit hoher Festigkeit
erhalten werden kann. Weiterhin ist das erfindungsgemäße
Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid einfach
im Vergleich zu den üblichen Verfahren. Es
umfaßt insbesondere nur die Behandlung eines Polycarbosilans
bei 1300°C oder mehr in einer
Ammoniakatmosphäre.
Der erfindungsgemäß hergestellte Whisker FRM kann
einem üblichen Verfahren zur Behandlung von Aluminium
ausgesetzt werden. So kann es extrusionsgeformt,
rollen- bzw. walzengeformt und geschmiedet werden, um
runde Stangen, Bahnen, deformierte Gegenstände und
Rohre zu erhalten, die alle einen hohen Biegungsmodul,
Biegungsfestigkeit und faseriges Volumen besitzen.
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung.
100 g partikelförmiges Polycarbosilan (durchschnittliches
Molekulargewicht etwa 2000, Schmelzpunkt 220
bis 230°C) wurden in ein Aluminiumoxidschiffchen
eingetragen, welches in einen kleinen, rohrförmigen
Ofen (Silikonitthermoelement) gegeben und anschließend
darin 1 h bei 1400°C gefeuert wurde, während jeweils
0,5 l/min eines hochreinen Ammoniakgases und eines
hochreinen Stickstoffgases hindurchgeleitet wurde,
um dadurch einen gefeuerten Körper zu erhalten.
Der so erhaltene, gefeuerte Körper wurde einer Röntgenbeugung
ausgesetzt, wobei Peaks bei 43,4° , 38,9° , 35,3°,
34,8°, 31,0°, 22,9° bzw. 20,6° gefunden wurden, wie in
Fig. 1 gezeigt, was die Bildung von α-Si3N4 bestätigte.
Weiterhin zeigte eine Mikrophotographie des gefeuerten
Körpers mit 3000facher Vergrößerung, daß die
Fasern in Whiskerform vorlagen und einen Durchmesser
von 0,1 bis 2,2 μ und eine Länge von wenigstens
0,2 mm besaßen, wie in Fig. 2 gezeigt.
Ein FRM, welcher den Siliciumnitrid-Whisker enthielt,
wurde durch ein Hochdruck-Schmiedeverfahren gemäß
JIS Matrix A-6061 hergestellt. Das Volumen der Fasern
(vf) des so erhaltenen FRM wurde als 30 % gemessen.
Die Beobachtung des inneren Teils des FRM zeigte, daß
der FRM keine Hohlräume besaß und sowohl die Fasern
als auch die Matrix fest genug zusammengebunden waren,
um einen festen Verbund zu bilden.
Der FRM wurde ebenfalls auf seine mechanischen Eigenschaften
bei Raumtemperatur (293K) gemessen, mit dem
Ergebnis, daß die Biegungsfestigkeit 80 kg/mm2 und der
Biegungsmodul 15 t/mm2 betrug.
Andererseits betrug das vf des bekannten Produkts
15 % und seine Biegefestigkeit 20 kg/mm2.
Ein bahnartiger FRM, welcher den Siliciumnitrid-Whisker
enthielt, wurde aus dem FRM-Block bzw. -Barren, hergestellt
in Experiment 1, mittels Walzformung erhalten.
Das vf des so erhaltenen Produkts betrug 30 %. Die
Beobachtung des inneren Teils des Produkts zeigte, daß
das Produkt eine feste Verbundstruktur ohne Hohlräume
besaß und daß die Adhäsion der Fasern an die Matrix
zufriedenstellend war. Das Ergebnis der Messung der
mechanischen Eigenschaften des Produkts bei Raumtemperatur
(293K) lag bei 80 kg/mm2 für die Biegungsfestigkeit
und 15 t/mm2 für den Biegungsmodul.
Ein stangenförmiger FRM, welcher den Siliciumnitrid-
Whisker enthielt, wurde aus dem FRM-Block, hergestellt
in Experiment 1, mittels Extrusionsformung gebildet.
Das vf des so erhaltenen Produkts betrug 30 %. Das
Produkt besaß eine gute Verbundstruktur ohne faserige
Öffnungen, wobei die Fasern in der Extrusionsrichtung
orientiert waren. Die bei Raumtemperatur (293K) gemessenen
Eigenschaften betrugen 100 kg/mm2 für die
Biegungsfestigkeit und 18 t/mm2 für den Biegungsmodul.
Weiterhin lag die Hochtemperaturfestigkeit des
Produkts bei 80 kg/mm2 bei 300°C, was sehr hoch war,
verglichen mit bekannten Aluminiumlegierungen.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid,
dadurch gekennzeichnet,
daß Polycarbosilan in Form von Pulver oder gesponnenen
Fasern bei 1300°C oder mehr in einer Ammoniakgasatmosphäre
gefeuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ammoniakgasatmosphäre aus einer Mischung
eines Stroms aus Ammoniakgas und Stickstoffgas
besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Polycarbosilan einer Alkylgruppe mit 1 bis
5 Kohlenstoffatomen und eine Phenylgruppe in der
wiederkehrenden Einheit besitzt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Polycarbosilan zwei Alkylgruppen mit jeweils
1 bis 5 Kohlenstoffatomen in der wiederkehrenden
Einheit besitzt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Polycarbosilan zwei Phenylgruppen in der
wiederkehrenden Einheit besitzt.
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GB (1) | GB2178417B (de) |
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- 1986-06-09 GB GB08613939A patent/GB2178417B/en not_active Expired
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- 1986-06-20 FR FR868608925A patent/FR2583734B1/fr not_active Expired - Fee Related
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FR2583734A1 (fr) | 1986-12-26 |
GB8613939D0 (en) | 1986-07-16 |
JPH0477719B2 (de) | 1992-12-09 |
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