DE69127761T2 - Verfahren zur Herstellung von Siliciumkarbidwhiskerarmiertem Siliciumnitrid-Verbundmaterial - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Siliciumkarbidwhiskerarmiertem Siliciumnitrid-Verbundmaterial

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidwhiskerarmiertem Siliciumnitrid-Verbundmaterial umfassend einen Sinterkörper aus Si&sub3;N&sub4; mit darin dispergierten, uniaxial ausgerichteten SiC-Whiskern. Ein Verfahren dieser Art ist bekannt aus dem "Journal of Materials Science Letters", 1987, Seiten 1356 bis 1358.
  • Nach diesem herkömmlichen Verfahren werden die SiC-Whisker in gleicher Richtung entlang der Flußrichtung während des Spritzgießens ausgerichtet.
  • Aus der EP-A-221764 ist ein Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffhaltigen Fasern bekannt, welche Oxidation bei Temperaturen höher als 1600ºC widerstehen können und für die Verwendung in keramischen oder metallischen Verbundmatrixen geeignet sind. Nach diesem Verfahren des Standes der Technik werden die kohlenstoffhaltigen Fasern mit einem Metalloxid in Berührung gebracht, so daß dieses Metalloxid eine kontinuierliche Schicht über den kohlenstoffhaltigen Fasern bildet. Diese kontinuierliche Schicht bildet eine Abschirmung, welche die kohlenstoffhaltigen Fasern vor chemischer Zersetzung bei hohen Temperaturen schützt.
  • Mit der jüngsten Ausbreitung von Keramikanwendungen auf mechanische strukturelle Teile, wie Kraftfahrzeugmotoren, wurde gefordert, die den Keramiken eigene Sprödigkeit zu überwinden, um hochzähe und zuverlässige keramische Materialien zu entwickeln.
  • Keramiken auf Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) Basis, die hauptsächlich Si&sub3;N&sub4; umfassen, sind hervorragend bezüglich der Festigkeit bei Raumtemperatur, der Oxidationsbeständigkeit, der Abriebbeständigkeit, der Termoschockbeständigkeit, der Korrosionsbeständigkeit, etc. und fanden praktische Verwendung als Schneidwerkzeuge oder Automobilteile.
  • Bei den jüngsten Entwicklungen von hochwirksamen Motoren wurde Si&sub3;N&sub4; als ein hochtemperaturbeständiges Material versuchsweise eingesetzt. Es bestand diesbezüglich die Notwendigkeit, weitere Verbesserungen bei der Zähigkeit und Hochtemperaturfestigkeit bei 1200ºC oder höher zu erzielen.
  • Es ist bekannt, daß die Zähigkeit von Si&sub3;N&sub4; mit Hilfe von in einer Si&sub3;N&sub4;-Matrix dispergierten armierenden SiC-Whiskern verbessert werden kann, um ein Verbundmaterial wie in der JP-A-62-2651 73 vorgeschlagen, zu erhalten (der Term "JP-A", wie hier verwendet, bedeutet eine "ungeprüfte veröffentlichte japanische Patentanmeldung"). Whiskerarmierte Verbundmaterialien jedoch, die mit Hilfe herkömmlicher Verfahren hergestellt werden, zeigen keine deutliche Verbesserung bei der Zähigkeit, die durch die Armierung verursacht worden wäre. Das bedeutet, daß die Hochtemperaturfestigkeit der whiskerarmierten Verbundmaterialien des Standes der Technik höher als die einer Si&sub3;N&sub4; Einzeiphase ist, aber immer noch niedriger als deren Raumtemperaturfestigkeit.
  • Man nimmt an, daß eine Verbesserung in der Zähigkeit, verursacht durch die Arm ierung mit Whiskern, einer Rißablenkung in der Richtung entlang der Whisker, einem pull-out Effekt der Whisker, einem Brückenbildungseffekt der Whisker und Ähnlichem zugeschrieben wird. Wo Whisker nur in einer Matrix dispergiert sind, reagieren beide jedoch miteinander an ihrer Grenzfläche, um fest miteinander verbunden zu sein. in einem solchen Zustand wird kein wesentlicher pull-out Effekt herbeigeführt, wenn eine Spannung beaufschlagt wird, was nur darin resultiert, daß die Whisker abgeschnitten werden, und keine Verbesserung bei der Festigkeit und Zähigkeit erhalten werden kann.
  • Um ein whiskerarmiertes keramikverbundmaterial mit weiter verbesserter Zähigkeit zu schaffen, wird in Betracht gezogen, eine Grenzflächenreaktion zwischen einer Keramikmatrix und einer Whiskerarmierung wirkungsvoll zu steuern. Die Beschichtung von Whiskern mit einer anderen Substanz wurde in dieser Richtung untersucht. Zum Beispiel offenbart die JP-A-1 -133981 die Beschichtung von SiC-Whiskern mit teilweise stabilisiertem ZrO&sub2; mit Hilfe eines CVD Verfahrens.
  • Wie oben exemplarisch dargestellt, wurde die Beschichtung eines Metalloxids auf Whiskern herkömmlicherweise mit Hilfe von synthetischen Gasphasen-Verfahren ausgeführt, z.B. eines CVD - und eines Sputterverfahrens. Nach diesen Verfahren jedoch ist es schwierig, da die Abscheidung einer gasförmigen Phase aus Metalloxid gerichtet ist, die Rückseite von Whiskern zu beschichten. Mit anderen Worten war es schwierig, eine einheitliche Beschichtung auf der gesamten Oberfläche von Whiskern zu bilden. Somit erfahren keramische Verbundmaterialien, armiert mit herkömmlichen metallbeschichteten Whiskern, keine ausreichende Verbesserung bezüglich der Zähigkeit und es mangelt ihnen noch an Zuverlässigkeit.
  • Außerdem ist die Beschichtung mit Hilfe von synthetischen Gasphasen-Verfahren ungeeignet für die Massenproduktion und unwirtschaftlich, weil sie eine speziell konstruierte Schichtbildungsvorrichtung und komplizierte und streng gesteuerte Bedingungen oder Arbeitsschritte erforderlich macht und ferner weil die Menge an Whiskern, welche gleichzeitig beschichtet werden kann, begrenzt ist durch die Größe der Schichtbildungsvorrichtung.
  • Es wurde z.B. vorgeschlagen, BN oder C auf die Oberfläche von SiC-Whiskern zu beschichten, um eine reaktionshemmende Lage auf der Grenzfläche zwischen den SiC- Whiskern und einer Si&sub3;N&sub4;-Matrix zu schaffen, wie in der JP-A-1-179762 offenbart. Nach diesem Vorschlag wird erwartet, daß die Reaktion zwischen den SiC-Whiskern und der Si&sub3;N&sub4;-Matrix durch die Carbid-, Nitrid- oder Kohlenstofflage gehemmt werden kann, die auf den Whiskern vorgesehen ist, um die Grenzflächenhaftfestigkeit zu verringern, wodurch ein deutlicher pull-out Effekt der Whisker erhalten wird. Es hat sich herausgestellt, daß ausreichende Verbesserungen bei der Zähigkeit und Festigkeit, die sich ergeben würden, trotzdem nicht notwendigerweise erhalten wurden.
  • Aus der EP-A-268721 ist ein Verfahren zur Armierung von Si&sub3;N&sub4;-Keramiken mit voroxidierten SiC-Whiskern zur Verbesserung der Biegefestigkeit dieser Keramiken bekannt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines hochzuverlässigen SiC-whiskerarmierten Si&sub3;N&sub4;-Verbundmaterials zu schaffen, bei dem der Zustand der Grenzfläche zwischen den SiC-Whiskern und einer Si&sub3;N&sub4;-Matrix richtig gesteuert ist, um Festigkeit und Zähigkeit zu verbessern.
  • Die obengenannte Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 erreicht.
  • Das Verfahren nach Anspruch 5 sieht ein Verfahren zur Bildung einer einheitlichen Metalloxidbeschichtung auf der gesamten Oberfläche der Whisker als eine Armierung für Keramiken vor, wobei dieses Verfahren einfach, leicht und geeignet für die Massenproduktion ist.
  • Weitere Verbesserungen und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den Ansprüchen 4 und 6 definiert.
  • Die vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben und erklärt anhand der Beispiele.
  • Einer der Gründe, warum herkömmliche SiC-whiskerarmierte Si&sub3;N&sub4;-Verbundmaterialien immer noch nicht in ihrer Zähigkeit und Hochtemperaturfestigkeit ausreichend sind, besteht, so glaubt man, in der Dispersion der Orientierungsrichtung der Whisker. Bei herkömmlichen SiC-whiskerarmierten Si&sub3;N&sub4;-Verbundmaterialien sind SiC-Whisker willkürlich in der Matrix dispergiert, so daß sie keine große Widerstandskraft gegen die Ausbreitung von Rißebenen bei Bruch aufweisen. Wo ein Verbundmaterial mit Hilfe allgemeiner Preßtechniken hergestellt wurde, wie Preßformen und CIP-Formen, war es ferner schwierig, die Whisker vollständig am Agglomerieren aufgrund von Verwicklung zu hindern. Daraus folgt, daß die Whisker nicht bei einer hohen Dichte dispergiert werden können und daß Agglomerate von Whiskern leicht Bruchausgangspunkte werden.
  • Dagegen können erfindungsgemäß Whisker in einer Aufschlämmung aus Si&sub3;N&sub4;-Pulver und SiC-Whiskern entlang einer pull-out Richtung orientiert werden, indem die Aufschlämmung mit einer Klinge (Doktor Blade) zu Folien gezogen wird. Die sich daraus ergebenden Grünlings-Folien werden auf solche Weise schichtweise angeordnet, daß die Whisker die gleiche Orientierungsrichtung aufweisen, und dann gesintert, um ein SiC-whiskerarmiertes Si&sub3;N&sub4;-Verbundmaterial mit uniaxial ausgerichteten Whiskern zu erhalten.
  • Das Verbundmaterial mit uniaxial ausgerichteten Whiskern besitzt eine große Widerstandskraft gegen die Ausbreitung von Rißebenen senkrecht zur Orientierungsrichtung der Whisker. Wenn das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte SiC- whiskerarmierte Si&sub3;N&sub4;-Verbundmaterial als Strukturmaterial, etc. auf solche Weise verwendet wird, daß die Orientierung srichtung der Whisker die Ausbreitungsrichtung der Rißebenen schneiden kann, ist es dementsprechend möglich, einen deutlichen Pin- Effekt von den Whiskern zu bekommen, um eine merklich verbesserte Hochtemperaturfestigkeit zu erhalten, sowie einen Rißablenkeffekt und einen pull-out Effekt, die einen großen Beitrag zu einer beträchtlichen Verbesserung bei der Bruchzähigkeit machen. Bei der Herstellung des Verbundmaterials enthält die Aufschlämmung, die Si&sub3;N&sub4;-Pulver und SiC-Whisker umfaßt, einen organischen Binder, üblicherweise in einer Menge von 10 bis 30 Gew.-%. Nach Einstellen der Viskosität mit Hilfe eines Entlüftungsapparates, etc. wird die Aufschlämmung mit Hilfe der Klingen (Doktor Blade)-Beschichtung zu Folien gezogen. Eine geeignete Viskosität der Aufschlämmung reicht von 500 bis 10.000 cps vorzugsweise von 800 bis 3.000 cps. Aufschlämmungen mit einer Viskosität außerhalb des obengenannten Bereiches sind schwierig zu Folien zu ziehen. Das bedeutet, daß es schwierig ist, wenn die Viskosität weniger als 500 cps beträgt, eine Folie einheitlicher Dicke bei kontrollierter Steuerung der Dicke zu erhalten. Wenn die Aufschlämmung 10.000 cps überschreitet, weist sie schlechte Formbarkeit aufgrund mangelnden Fließvermögens auf.
  • Mit Hilfe der Klingen (Doktor Blade)-Beschichtung hergestellte Grünlings-Folien weisen vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 3 mm auf, insbesondere von 0,2 bis 0,5 mm. Zu dünne Grünlings-Folien von weniger als 0,01 mm sind rißanfällig und erfordem ferner viel Aufwand bei der Herstellung einer schichtweisen Anordnung (laminate) einer vorbestimmten Dicke. Wenn die Dicke 3 mm überschreitet, sind die Orientierungseigenschaften der Whisker gestört.
  • Eine Vielzahl von Grünlings-Folien wird schichtweise angeordnet und die schichtweise Anordnung (laminate) wird an der Atmosphäre vorzugsweise bei einer Temperatur von 500 bis 900ºC hitzebehandelt, wodurch jeder organische Binder entfernt wird, und dann Warmpressen oder Drucksintern in Stickstoffgas unterworfen. Das Sintern wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 1600 bis 1950ºC unter einem Warmpreßdruck von 100 bis 400 kg/cm² ausgeführt. Als andere Möglichkeit kann die schichtweise Anordnung (laminate) der Grünlings-Folien mit Hilfe einer Laminatpresse heiß verbunden werden vorzugsweise bei einer Temperatur von 40 bis 80ºC und einem Druck von 20 bis 50 kg/cm² während einer Zeitdauer von 2 bis 8 Minuten.
  • Die Größe der SiC-Whiskern und die Menge der in Verbund zu bringenden SiC-Whisker wird auf herkömmliche Weise ausgewählt. Im allgemeinen werden Whisker mit einem Durchmesser von 0,1 bis 10 µm und einer Länge von 5 bis 50 µm vorzugsweise verwendet und die Menge der in Verbund zu bringenden Whisker beträgt vorzugsweise von 1,0 bis 60 Gewichtsanteilen pro 100 Gewichtsanteilen an Si&sub3;N&sub4;-Pulver.
  • Während die Bildung einer Beschichtung auf der Oberfläche der Whisker im allgemeinen, wie oben erwähnt, durch synthetische Gasphasen-Verfah ren ausgeführt wird, wird eine Metalloxidbeschichtung erfindungsgemäß unter Nutzung thermischer Dekomposition eines organischen oder anorganischen Salzes des spezifischen metallischen Elementes gebildet, was das erfindungsgemäße Verfahren ist, das im folgenden beschrieben wird.
  • Das whiskerarmierte Si&sub3;N&sub4;-Verbundmaterial kann durch Mischen von SiC-Whiskern, die eine Metalloxidbeschichtung aufweisen, mit Si&sub3;N&sub4;-Pulver und durch Formen und Sintern der Mischung auf bekannte Weise erhalten werden.
  • Es hat sich herausgestellt, daß für die Verbesserung der Zähigkeit und Festigkeit durch einen pull-out Effekt, etc. von in einer Matrix dispergierten Whiskern die Quantität der Absorptionsenergie beim Herausziehen von großer Bedeutung ist. Das bedeutet, daß, wenn die Grenzflächenhaftkraft zwischen den Whiskern und der Matrix zu hoch ist, daraus nur folgt, daß die Whisker geschnitten werden, ohne einen pull-out Effekt hervorzurufen, und daß wenig Absorptionsenergie erhalten wird. Dagegen werden bei zu schwacher Grenzflächenhaftkraft die Whisker leicht herausgezogen, woraus folgt, daß die Absorptionsenergie aber beim Herausziehen dementsprechend gering wird und eine gewünschte Verbesserung bei der Zähigkeit nicht erhalten wird.
  • Die verwendeten Whisker besitzen auf ihrer Oberfläche eine Beschichtung, umfassend ein Oxid wenigstens eines metallischen Elementes ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Sr und Ba aus der Gruppe 2A; Sc, Y und La aus der Gruppe 3A; Ti, Zr und Hf aus der Gruppe 4A; Li Al und Si. Man läßt diese Metalloxide sowohl mit der Oberfläche der SiC-Whisker als auch den Si&sub3;N&sub4;-Partikeln beim Sintern reagieren, um eine Schicht vierter oder höherer Ordnung zwischen den Whiskern und der Matrix zu bilden. Die so gebildete Schicht verleiht der Grenzfläche zwischen den SiC-Whiskern und der Si&sub3;N&sub4;-Matrix eine mittlere Haftfestigkeit und schwächt gleichzeitig einen Unterschied in der Spannung ab, mit der die Grenzfläche aufgrund eines Unterschiedes im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Whiskern und der Matrix beaufschlagt wird. Das Sintern wird vorzugsweise in einer nichtoxidierenden oder reduzierenden Atmosphäre durchgeführt.
  • Ein Teil des Metalloxids auf der Whiskeroberfläche wird beim Sintern eine flüssige Phase, um als ein Sinterhilfsmittel zu dienen. Daraus resultierend kann die Affinität zwischen den SiC-Whiskern und der Matrix verbessert und ferner das Sintern in der Nähe der Whisker beschleunigt werden, um dadurch einen dicht gesinterten Körper, obwohl dieser darin Whisker enthält, bereitzustellen. Somit zeigt das erhaltene Verbundmaterial große Verbesserungen in Festigkeit und Zähigkeit, die aus diesen Effekten resultieren. Zur Erzielung der oben beschriebenen Effekte weist die Metalloxidbeschichtung vorzugsweise eine Dicke von 0,3 nm bis 5 µm auf. Eine Schichtdicke von weniger als 0,3 nm erzeugt geringe Grenzflächenhaftfestigkeit und die gewünschten Effekte bei der Verbesserung der Zähigkeit werden nicht erhalten. Wenn die Dicke 5 µm übersteigt, wird die Zähigkeit gewöhnlich aufgrund der übermäßigen Einflüsse des Metalloxids verringert. Die Dicke der Metalloxidbeschichtung kann beliebig und leicht durch Variieren der Konzentration einer metallischen Salzlösung gesteuert werden.
  • Das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Verbundmaterial weist vorzugsweise einen SiC-Whiskergehalt von 1 bis 60 Vol.-% auf. Wenn der Whiskergehalt weniger als 1 Vol.-% beträgt, können die erwarteten Effekte des Whiskerzusatzes nicht erhalten werden. Wenn der Gehalt 60 Vol.-% übersteigt, wird das Sintern schwierig.
  • Die verwendbaren Whisker schließen die herkömmlich als Armierung bei keramischen Verbundmaterialien eingesetzten Whisker, wie Al&sub2;O&sub3;, SiC und Si&sub3;N&sub4;, ein.
  • Organische oder anorganische metallische Salze, die verwendet werden können, sind nicht besonders eingeschränkt, solange sie durch thermische Dekomposition in ein Oxid umgewandelt werden können. Unter dem Gesichtspunkt einer einfachen thermischen Dekomposition sind anorganische Salze des obengenannten metallischen Elementes, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure oder ein Wasserstoffhalogenid, organische Salzen des obengenannten metallischen Elementes und eine Fettsäure mit 3 bis 30 Kohlenstoffatomen bevorzugt.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein organisches oder anorganisches Salz eines spezifischen metallischen Elementes thermisch zersetzt, um eine Metalloxidbeschichtung auf der Oberfläche der Whisker zu bilden. Das Verfahren kann durchgeführt werden durch Tauchen der Whisker in eine Lösung aus einem organischen oder anorganischen metallischen Salz in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel, um einheitlich die gesamte Oberfläche der Whisker mit dem metallischen Salz zu benetzen, durch Trocknen und Aufheizen der Whisker auf die thermische Dekompositionstemperatur des metallischen Salzes oder höheren Temperaturen. Somit kann eine Metalloxidbeschichtung leicht auf der Whiskeroberfläche gebildet werden, ohne den Zustand der Beschichtung zu ändern.
  • Da der Zustand der Haftung des metallischen Salzes auf den Whiskern großen Einfluß auf die Form oder den Zustand der sich ergebenden Metalloxidbeschichtung hat, sollte darauf geachtet werden, die gesamte Oberfläche der Whisker mit der metallischen Salzlösung zu befeuchten. Dahingehend ist es erstrebenswert, daß die Lösung bewegt wird, während Ultraschallwellen eingesetzt werden, so daß die Whisker vollkommen unverwickelt in der Lösung sein können.
  • Die Heiztemperatur zur Umwandlung des organischen oder anorganischen metallischen Salzes in das entsprechende Metalloxid bewegt sich üblicherweise von 200 bis 2000ºC und vorzugsweise von 300 bis 1 000ºC in der Atmosphäre, obwohl Änderungen von der Art des metallischen Salzes abhängen.
  • Die sich ergebende Metalloxidbeschichtung weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,3 nm und 5 µm auf. Wenn die Dicke weniger als 0,3 nm beträgt, können keine Beschichtungseffekte bei der Verbesserung der Zähigkeit hervorgerufen werden. Wenn sie 5 µm übersteigt, wird die Zähigkeit gewöhnlich aufgrund zu großer Einflüsse des Metalloxids verringert. Die Dicke der Metalloxidbeschichtung kann beliebig und leicht durch Ändern der Konzentration der metallischen Salzlösung gesteuert werden. Die vorliegenden Erfindung wird nun detaillierter dargestellt mit bezug auf die folgenden Beispiele und vergleichenden Beispiele, aber es sollte verstanden werden, daß die vorliegenden Erfindung als nicht darauf begrenzt erachtet wird. Alle Prozent-, Teil- oder Verhältnisangaben beziehen sich auf das Gewicht, außer es ist anders angegeben.
  • Preßtechnik (Beispiel 1)
  • 120 g SiC-Whisker (klassifiziert durch ein 200 mesh-Sieb) mit einem Durchmesser von 0,5 µm und einer Länge von 15 µm wurde 480 g Si&sub3;N&sub4;-Pulver zugesetzt, das 8,4% Y&sub2;O&sub3; und 2,0% Al&sub2;O&sub3; als Sinterhilfsmittel enthält. Die Mischung wurde in 1,5 l Ethanol für 2 Stunden vermischt. 60 g Polyvinylbutyral und 40 g Di-n-Butylphthalat wurden hierzu als organische Binder zugesetzt und das Mischen wurde für weitere 4 Stunden fortgesetzt. Die sich daraus ergebende Aufschlämmung wurde in einem Entlüftungsapparat auf eine Viskosität von 850 cps eingestellt und dann mit Hilfe eines Klingen (Doktor Blade)-Beschichters zu Folien gezogen, um eine 0,3 mm Grünlings-Folie zu erhalten. Nach Verdampfen des Ethanols durch spontanes Trocknen wurde die Grünlings-Folie mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Es wurde herausgefunden, daß die SiC- Whisker uniaxial in der Bewegungsrichtung der Klinge (Doktor Blade) ausgerichtet waren.
  • Die Grünlings-Folie wurde in 100 x 100 mm² geschnitten. Fünfzehn geschnittene Folien wurden auf solche Weise schichtweise angeordnet, daß die Whisker in den Folien die gleiche Orientierungsrichtung aufwiesen und die schichtweise Anordnung (laminate) wurde mit Hilfe einer Laminatpresse bei 40ºC und 20 kg/cm² für 3 Minuten druckverbunden. Die sich daraus ergebende schichtweise Anordnung (laminate) wurde an der Atmosphäre bei 600ºC für 2 Stunden wärmebehandelt, um die organischen Binder zu entfernen, und wurde dann durch Warmpressen bei 1700ºC und 200 kg/cm² für 2 Stunden in Stickstoffgas gesintert.
  • Exemplare (spedes) einer JIS-Größe wurden aus dem sich ergebenden gesinterten Körper geschnitten und Raumtemperaturfestigkeit ( rt), Festigkeit bei 1250ºC in N&sub2; ( &sub1;&sub2;&sub5;&sub0;), und Bruchzähigkeit mit Hilfe mit eines SENB-Verfahrens (Klc) gemessen. Als Ergebnis ergibt sich, rt = 110 kg/mm²; &sub1;&sub2;&sub5;&sub0; = 120 kg/mm²; und Klc = 9,6 MpPam½, was nachweist, daß die Probe hohe Festigkeiten und hohe Zähigkeit, insbesondere hohe Festigkeit bei einer hohen Temperatur aufwies. Die Untersuchung des Probekörpers mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops zeigte, daß die SiC-Whisker in der Si&sub3;N&sub4;-Matrix uniaxial ausgerichtet waren. Preßtechnik (Beispiel 2) Ein gesinterter Körper wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, ausgenommen die Änderung des Durchmessers und der Länge (D-L) der SiC-Whisker, der Menge der dem Si&sub3;N&sub4;-Pulver zugesetzten Whisker, und der Dicke der Günlings-Folie, wie in Tabelle 1 gezeigt. Die mechanischen Eigenschaften der sich ergebenden Probe wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gemessen und die erhaltenen Ergebnisse werden ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
  • Bemerkung:* pro 100 Teile Si&sub3;N&sub4;-Pulver Whisker-Beschichtungs-Technik (Beispiel 3) 120 g SiC-Whisker mit einem Durchmesser von ungefähr 0,5 µm und einer Länge von ungefähr 15 µm wurde in 1,2 l einer 70 g/l Lösung aus Al(NO&sub3;)&sub3;.9H&sub2;O in Ethanol getaucht und die Lösung wurde unter Ultraschallbestrahlung durchgerührt, um die Whisker vollständig zu entwirren. Die Whisker wurden durch Filtrierung herausgenommen und spontan getrocknet, um das Ethanol zu verdampfen. Die SiC-Whisker wurden dann bei 350ºC an der Atmosphäre für 2 Stunden erhitzt, um zur Bildung von Al&sub2;O&sub3; thermisch das an der Oberfläche anhaftende Al(NO&sub3;)&sub3;.9H&sub2;O zu zersetzen.
  • Die sich ergebenden SiC-Whisker wurden durch Röntgendiffraktometrie analysiert und mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Es wurde als Ergebnis herausgefunden, daß die gesamte Oberfläche der SiC-Whisker mit Al&sub2;O&sub3; mit einer durchschnittlichen Dicke von 80 Å beschichtet war.
  • 20% der sich ergebenden Al&sub2;O&sub3;-beschichteten SiC-Whisker, 69,6% des Si&sub3;N&sub4;-Pulvers, 6,7% des Y&sub2;O&sub3;-Pulvers und 1,7% des Al&sub2;O&sub3;-Pulvers wurden naß vermischt und die Vermischung wurde gepreßt. Das gepreßte Teil wurde durch Warmpressen bei 1700ºC und 200 kg/cm² gesintert.
  • Der sich ergebende gesinterte Körper wies eine Biegefestigkeit von 110 kg/mm² und eine Klc-Zähigkeit von 11 MN/mm2/2 und erwies sich als extrem zäh.
  • Whisker-Beschichtungs-Technik (Beispiel 4)
  • 120 g SiC-Whisker mit einem Durchmesser von ungefähr 0,5 µm und einer Länge von ungefähr 15 µm wurde in 1,2 l einer 33 g/l Lösung aus Zr(NO&sub3;)&sub2;.2H&sub2;O in Ethanol getaucht. Danach wurde den gleichen Prozeduren wie in Beispiel 3 gefolgt und die so behandelten Whisker wurden bei 900ºC an der Atmosphäre für 2 Stunden erhitzt, um zur Bildung von Zl&sub2; das an der Oberfläche anhaftende Zr(NO&sub3;)&sub2;.2H&sub2;O zu zersetzen.
  • Die sich ergebenden Whisker wurden analysiert und auf die gleiche Weise wie in Beispiel 3 untersucht und als Ergebnis wurde herausgefunden, daß die gesamte Oberfläche der SiC-Whisker mit ZrO&sub2; mit einer durchschnittlichen Dicke von 100 Å beschichtet war.
  • Wie oben beschrieben und gezeigt, stellt die vorliegenden Erfindung ein hochzuverlässiges SiC-whiskerarmiertes Si&sub3;N&sub4;-Verbundmaterial bereit mit hoher Zähigkeit und hoher Festigkeit, insbesondere hoher Festigkeit bei hohen Temperaturen, bei der SiC-Whisker uniaxial ausgerichtet in der Si&sub3;N&sub4;-Matrix sich befinden. Das Verbundmaterial ist deshalb besonders vielversprechend als ein Hochtemperaturmaterial für Gasturbinenmotoren oder Kraftfahrzeugmotoren.
  • Erfindungsgemäß kann der Grenzflächenzustand zwischen SiC-Whiskern und einer Si&sub3;N&sub4;-Matrix kann so gesteuert werden, daß sie eine angemessene Grenzflächenhaftkraft aufweist, indem eine Metalloxidbeschichtung auf der Oberfläche der SiC-Whisker vorgesehen ist, um dadurch ein whiskerarmiertes Si&sub3;N&sub4;-Verbundmaterial mit hoher Festigkeit und stark verbesserter Zähigkeit herzustellen. Das Problem der Sprödigkeit von Keramiken bewältigend, stellt das Verfahren ein hochzuverlässiges Keramikverbundmaterial bereit, von dem angenommen werden kann, daß es bei verschiedenen mechanischen strukturellen Teilen wie z.B. Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt wird.
  • Des weiteren kann bei der vorliegenden Erfindung eine Metalloxidbeschichtung einheitlich auf der gesamten Oberfläche der Whisker als eine Armierung in Keramikverbundmaterialien ausgebildet werden. Das Verfahren kann auf einfache Weise ausgeführt werden, ohne eine besondere Vorrichtung oder komplizierte Arbeitsschritte erforderlich zu machen. Darüber hinaus erlaubt das Verfahren, eine große Quantität an Whiskern gleichzeitig zu behandeln und verhllt sich deshalb hervorragend bei der Massenproduktion und der Wirtschaftlichkeit. Die nach diesem Verfahren mit einer einheitlichen Metalloxidbeschichtung hergestellten Whisker, können, wenn sie als eine Armierung bei der Produktion von whiskerarmierten Keramikverbundmaterialien verwendet werden, eine Grenzflächenreaktion mit einer Keramikmatrix steuern, um dadurch sicher die Zähigkeit des keramischen Materials auf ein erheblich hohes Niveau zu verbessern. Solche whiskerarmierten keramischen Verbundmaterialien sind für den Einsatz bei verschiedenen mechanischen strukturellen Teilen vielversprechend.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-whiskerarmiertem Siliciumnitrid- Verbundmaterial, umfassend einen Sinterkörper, aus einer Si&sub3;N&sub4;-Matrix mit darin dispergierten, uniaxial ausgerichteten SiC-Whiskem, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) eine Aufschlämmung aus Si&sub3;N&sub4;-Pulver und SiC-Whiskem mit dem Doktor-Blade- Verfahren zur Herstellung einer Grünlings-Folie zu Folien gezogen wird, wobei die SiC-Whisker eine Beschichtung mit einem Oxid aufweisen, das wenigstens ein metallisches Element umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Be, Mg, Ca, Sr und Ba aus der Gruppe 2A; Sc, Y und La aus der Gruppe 3A; Ti, Zr und Hf aus der Gruppe 4A; und Li, Al und Si und
(b) eine Mehrzahl der erzeugten Grünlings-Folien schichtweise mit parallel verlaufender Orientierungsrichtung der SiC-Whisker angeordnet wird und das Laminat in Nitrogengas warmgepreßt oder druckgesintert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grünlings-Folie eine Dicke von 0,01 bis 3 mm aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Dicke von 0,3 nm bis 5 µm aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumcarbid-whiskerarmierte Siliciumnitrid-Verbundmaterial 1 bis 60 Vol.-% an SiC-Whiskem enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß - zur Bildung dieser Metalloxidbeschichtung auf der Oberfläche der Whisker - diese in eine Lösung aus einem anorganischen oder einem organischen Salz aus wenigstens diesem einen metallischen Element getaucht werden und diese Whisker mit dem ihnen anhaftenden metallischen Salz bei einer Temperatur hitzebehandelt werden, die nicht weniger als die thermische Dekompositionstemperatur dieses metallischen Salzes beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Metalloxidbeschichtung eine Dicke von 0,3 nm bis 5 µm aufweist.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE9100895D0 (sv) * 1991-03-25 1991-03-25 Sandvik Ab Saett att framstaella skaer foeretraedesvis foer skaerande bearbetning av varmhaallfasta material
CN100398491C (zh) * 2006-11-28 2008-07-02 武汉理工大学 一种氮化硅非水基流延浆料及其制备方法
CN109516814B (zh) * 2018-11-28 2021-10-01 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种Si3N4/SiC复相陶瓷材料及其制备方法
CN112321331A (zh) * 2020-11-18 2021-02-05 江西信达航科新材料科技有限公司 一种耐高温抗氧化复合涂层及其制备工艺

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3683351D1 (de) * 1985-10-31 1992-02-20 Sullivan Mining Group Metalloxid-beschichtung fuer kohlenstoffasern.
JPH0613432B2 (ja) * 1986-03-17 1994-02-23 住友電気工業株式会社 繊維強化Si▼下3▲N▼下4▲焼結体及びその製造方法
JPH0617269B2 (ja) * 1986-03-17 1994-03-09 住友電気工業株式会社 繊維強化Si▼下3▲N▼下4▲焼結体の製造方法
JPS62230680A (ja) * 1986-03-31 1987-10-09 住友電気工業株式会社 セラミツクス複合体の製造方法
EP0240177B1 (de) * 1986-03-17 1993-06-09 Sumitomo Electric Industries Limited Kompakter keramischer Körper, insbesondere auf Basis von Siliciumnitrid und keramischen Fasern und sein Herstellungsverfahren
ATE42267T1 (de) * 1986-11-25 1989-05-15 Battelle Memorial Institute Zusammensetzung von pulverigem siliziumnitrid, verstaerkt mit siliziumcarbid-whiskern, und verwendung derselben zur herstellung von sinterkoerpern.
JPH01133981A (ja) * 1987-11-20 1989-05-26 Toyota Motor Corp 窒化ケイ素複合体

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