JP2004502639A - 新規なアミノシリルボリルアルカン、その製造及び使用 - Google Patents
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Abstract
本発明は、新規なアミノシリルボリルアルカンに、対応する塩素化合物からのそれらの製造方法に、そのようなアミノシリルボリルアルカンを用いて製造されるコーティングした基質にそしてセラミック保護層の形成方法に関する。
Description
【0001】
本発明は、新規なアミノシリルボリルアルカンに、対応する塩素化合物からのそれらの製造方法に、この種のアミノシリルボリルアルカンを用いて製造されるコーティングした基質に、そしてセラミック保護層の形成方法に関する。
【0002】
高温で使用される素子を酸化に対して保護する目的で、その素子に、シランを用いて化学気相蒸着によって石英(SiO2)層を設けることは公知である。約1100℃を超える温度においては、無定型の石英層は、結晶状態(クリストバライト)に転化する。このいわゆる石英遷移(quartz transition)の結果、コーティングにクラックが発生し、そしてそれが、特に素子を冷却して再加熱した後で、即ち熱応力を繰り返す条件下で、素子の急速な酸化を引き起こす。
【0003】
クラックの生成は、例えば炭化珪素の層を追加することによって抑制することができるけれども、そのように別の層を積み重ねるとそれに伴って多くの数の工程段階が必要となり、従って多くの費用と時間がかかることになる。更に、金属基質にCVDによって設けた石英層は、機械的応力と繰り返しの熱応力がかかると剥がれてしまう。
【0004】
英国特許第792,274号は、炭素、硼素及びケイ素を含有したガス流れから、CVD法によって、1000℃〜1400℃で、ケイ素含有層を例えばセラミック基質上へ蒸着して、Si−B−C層を生成させることを開示している。使用される出発物質は、アルキルシラン及びアルキルボランである。
【0005】
WO98/10118は、CVD法によって、400℃〜1800℃で、ケイ素含有層を例えば金属基質上へ蒸着して、Si−B−C−N層を生成させることを記述している。使用される出発物質は、アミノシリルボリルアミンである。
【0006】
しかしながら、先行技術に記載されているケイ素含有コーティングは、1400℃〜1800℃を超える高温用途には適していない。
【0007】
従って、異なる種類の基質に、高温で使用されている時にその基質を保護する強力な接着力を持つ保護層を簡便に与えることを可能にする化合物が要望されていた。
【0008】
意外にも、ここに、CVDによって簡便に基質に適用することができそしてこの基質を高温で使用されている間保護することができるアミノシリルボリルアルカンが見出された。
【0009】
本発明のアミノシリルボリルアルカンは、式(I):
【0010】
【化3】
【0011】
(式中、
R1は、1〜4個の炭素原子を有するアルキル基又はフェニルであり、そして
R2は、水素、1〜4個の炭素原子を有するアルキル基又はフェニルである)を有するアミノシリルボリルアルカンである。
【0012】
1〜4個の炭素原子を有するアルキル基の例は、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、第二級ブチル又は第三級ブチルである。
【0013】
R1がメチルであることが好ましく、そしてR2が水素であることが好ましい。
【0014】
式(I)を有する化合物は、式(II):
【0015】
【化4】
【0016】
を有する化合物の、ジアルキルアミン又はジフェニルアミンとの不活性有機溶媒中での反応によって、本発明に従って製造することができる。反応は、R1がメチルでありそしてR2が水素である、式(II)を有する化合物を用いて行うのが好ましい。使用されるジアルキルアミンは、ジメチルアミンであることが好ましい。使用することができる不活性有機溶媒は、例えば、アルカン、芳香族炭化水素又はエーテルである。C5〜C8−アルカン及びトルエンが好ましく、n−ヘキサンが特に好ましい。不活性有機溶媒の混合物もまた、使用することができる。
【0017】
R1がメチルでありそしてR2が水素である、式(II)を有する化合物をn−ヘキサン中でジメチルアミンと反応させるのが特に好ましい。
【0018】
式(II)を有する化合物とアミンは、1:1〜1:20の、好ましくは1:2〜1:10の、特に好ましくは1:2.5〜1:5のモル比で使用するのが好ましい。
【0019】
反応温度は、−100℃と20℃の間で変化させることができ、そして好ましくは−80℃〜−30℃であり、特に好ましくは−70℃〜−40℃である。
【0020】
式(II)を有する化合物の製造は、ドイツ特許19713766に記載されている。
【0021】
反応を遂行する目的で、式(II)を有する化合物を最初に不活性有機溶媒中に導入し、そしてアミンを滴下して添加することができる。この際、反応混合物を攪拌することが好ましい。反応の完結後、反応バッチを濾過し、洗浄することができる。反応生成物を含有している炉液を、精製のために、蒸発し蒸留することができる。
【0022】
本発明による式(I)を有する化合物は、基質に保護層を適用するために使用することができる。これらの保護層は、式(I)を有する化合物を使用してCVD法を実施する本発明に従って形成される。この目的のためには、R1がメチルでありそしてR2が水素である、式(I)を有する化合物が特に好ましい。
【0023】
使用されるCVD法は、好ましくは熱CVD法であり、特に、LPCVD(低圧CVD)法である。しかしながら、本発明においては、熱CVD法の代わりに他のCVD法、特にプラズマCVDを用いることも可能である。
【0024】
熱CVD法を実施することができる装置は、式(I)の液状出発化合物、好ましくは、R1がメチルでありR2が水素である式(I)の液状出発化合物を含有し、そして不活性ガス、例えばアルゴンによって加圧された耐圧気密貯蔵タンクを具備するのが好ましい。液状出発化合物は、流量計を経由して、不活性ガス例えば窒素が同時にそこへ対応するガス流量計を経由して流れている混合器に供給することができる。それによって、混合器中で、液状出発化合物からエアロゾルが生成し、そして加熱された蒸発器中で残留物を残さずに蒸発する。その蒸気を、その中にコーティングする1個又は複数の基質が上下に及び/又は前後に配置されている、好ましくは管状の、コーティング釜の一端に供給する。その管状釜の他端には真空ポンプを接続するのが好ましい。
【0025】
使用する出発化合物が、R1がメチルでありR2が水素である式(I)の化合物である場合には、蒸発器の温度は、好ましくは30℃〜100℃、特に好ましくは50℃〜90℃、さらに特に好ましくは60℃〜80℃である。
【0026】
コーティング釜の圧力は、好ましくは10−1〜10−5mbar、特に好ましくは10−2〜10−3mbarである。
【0027】
コーティング釜において、基質を、好ましくは400℃〜1800℃、特に好ましくは650℃〜1500℃の温度に加熱する。
【0028】
上記のCVD装置は、蒸着条件を正確に維持することができ、従って再現性のある特性を有する層を得ることができる。本発明の方法によって形成した層は元素(ここでは、この用語は、互いの結合をも包含する)ケイ素、窒素、ホウ素及び炭素を含む。これらの元素の他に、層は、出発化合物から生成した有機残留物を含有する可能性がある。これらの有機残留物は層の性質に影響を及ぼす可能性がある。有機残留物を避ける目的で、基質を、適切な高温でコーティングすることができる。しかしながら、コーティングを、むしろ低い基質温度で行うこともでき、その場合、全ての有機残留物は、釜中で600℃〜1800℃で熱後処理することによって除去することができる。
【0029】
本発明に従って形成した層は、式(I)の化合物の使用のために、炭素含量が比較的高い。従って、低炭素含量の場合と対照的に、結晶化は、一般に、2000℃を超える温度においてのみ起こり、そしてこの事によって、これらの層は高温度用途に特に好適となる。
【0030】
本発明による層は、特に、金属、炭素及びセラミック基質の保護に好適である。
【0031】
本発明による層を、金属基質、例えば鋼またはチタン合金からなる基質に適用した場合、それらの層は、高い接着強度を示すという特徴を持つ。このことは、金属基質を研磨しない状態でコーティングする、即ち金属基質が5μmを超える粗さを有する場合に、特にうまくいく。高い接着強度の他に、本発明による層は、高い摩耗強度及び潤滑特性をも有する。後者は、出発物質のアルキル基又はフェニル基に由来する有機残留物の割合によって、影響され得る。
【0032】
本発明による層の優れたトライボロジー特性によって、本発明の方法は、例えば、エンジン製造における金属部分のコーティングに使用することができる。
【0033】
本発明の方法によってコーティングした基質を、酸素含有雰囲気下、即ち例えば空気中で、例えば900℃〜1800℃、特に1200℃〜1600℃の温度に加熱した場合、保護層表面のケイ素はSiO2に酸化される。
【0034】
この酸化は、釜中での好ましくは600℃〜1800℃の温度における、コーティングした基質の後処理によって、又は高温度の空気中での基質の使用中に、行うことができる。基質表面に生成したSiO2は、ホウ素の存在のために、比較的低い融点を有している。このことによって、保護層は、表面領域において比較的低温度でも溶融し、そしてこの溶融物が、保護層の下の領域に生成するクラックを封鎖し、酸素が基質中に浸透するのを防止する。
【0035】
本発明による方法は、約2000℃までの繰り返し熱応力下でさえ、一般にコーティングされた基質を酸化に対して確実に保護する保護層を形成する。
【0036】
以下の実施例は、本発明を具体的に説明するためのものであって制限を示すものではない。
実施例
実施例1
1−トリス(ジメチルアミノ)シリル−1−ビス(ジメチルアミノ)ボリルエタンの製造
【0037】
【化5】
【0038】
ジメチルアミン350mlを、1リットル丸底フラスコ中に−65℃で凝縮させた。
【0039】
1−トリクロロシリル−1−ジクロロボリルエタン68g
【0040】
【化6】
【0041】
を純n−ヘキサン340mlと混合し、ジメチルアミンに70分間かけて滴下して添加した。この間に、フラスコの内容物の温度は−58℃に上昇し、塩酸ジメチルアミンの白色沈殿物が析出した。反応混合物をさらに12時間攪拌し、次いで20℃の温度に徐々に加温した。沈殿物を、リバースフリット(reverse frit)を使用して濾別しそしてn−ヘキサンで洗浄した。濾液を回転型蒸発器で80℃で蒸発させ、続いて減圧下で蒸留した。主留分は、沸点が0.2mbarで69℃〜72℃であった。収率は約80%であった。
実施例2
コーティング実験は、管状釜の中心に位置した、1cmの縁長を有する黒鉛管を用いて行った。 コーティングの前に、管を脱脂し、そして150℃に加熱して乾燥した。黒鉛管をアルゴンの存在下でコーティング釜中で900℃に加熱した。実験温度に達した時、実施例1からの出発化合物1.5mlを貯蔵槽に導入し、全コーティング装置を5.7×10−2mbarに排気した。 圧力を調整した後、貯蔵槽を65℃に加熱した。コーティング装置の圧力は、その過程で7.5×10−2mbarに上昇した。10時間後に、出発化合物は蒸発してしまっており、そして釜を20℃に冷却した。続いてコーティングされた黒鉛管を、アルゴン雰囲気下1450℃で1時間熱分解にかけた。コーティングは基質を均一に被覆しており、X線電子及び透過電子顕微鏡写真が基質とセラミックコーティングの間の緊密な結合を示していた。セラミックコーティングは無定型である。エネルギー分散型X線分析によると、層は、ケイ素、ホウ素、炭素及び窒素を含んでいた。
本発明は、新規なアミノシリルボリルアルカンに、対応する塩素化合物からのそれらの製造方法に、この種のアミノシリルボリルアルカンを用いて製造されるコーティングした基質に、そしてセラミック保護層の形成方法に関する。
【0002】
高温で使用される素子を酸化に対して保護する目的で、その素子に、シランを用いて化学気相蒸着によって石英(SiO2)層を設けることは公知である。約1100℃を超える温度においては、無定型の石英層は、結晶状態(クリストバライト)に転化する。このいわゆる石英遷移(quartz transition)の結果、コーティングにクラックが発生し、そしてそれが、特に素子を冷却して再加熱した後で、即ち熱応力を繰り返す条件下で、素子の急速な酸化を引き起こす。
【0003】
クラックの生成は、例えば炭化珪素の層を追加することによって抑制することができるけれども、そのように別の層を積み重ねるとそれに伴って多くの数の工程段階が必要となり、従って多くの費用と時間がかかることになる。更に、金属基質にCVDによって設けた石英層は、機械的応力と繰り返しの熱応力がかかると剥がれてしまう。
【0004】
英国特許第792,274号は、炭素、硼素及びケイ素を含有したガス流れから、CVD法によって、1000℃〜1400℃で、ケイ素含有層を例えばセラミック基質上へ蒸着して、Si−B−C層を生成させることを開示している。使用される出発物質は、アルキルシラン及びアルキルボランである。
【0005】
WO98/10118は、CVD法によって、400℃〜1800℃で、ケイ素含有層を例えば金属基質上へ蒸着して、Si−B−C−N層を生成させることを記述している。使用される出発物質は、アミノシリルボリルアミンである。
【0006】
しかしながら、先行技術に記載されているケイ素含有コーティングは、1400℃〜1800℃を超える高温用途には適していない。
【0007】
従って、異なる種類の基質に、高温で使用されている時にその基質を保護する強力な接着力を持つ保護層を簡便に与えることを可能にする化合物が要望されていた。
【0008】
意外にも、ここに、CVDによって簡便に基質に適用することができそしてこの基質を高温で使用されている間保護することができるアミノシリルボリルアルカンが見出された。
【0009】
本発明のアミノシリルボリルアルカンは、式(I):
【0010】
【化3】
【0011】
(式中、
R1は、1〜4個の炭素原子を有するアルキル基又はフェニルであり、そして
R2は、水素、1〜4個の炭素原子を有するアルキル基又はフェニルである)を有するアミノシリルボリルアルカンである。
【0012】
1〜4個の炭素原子を有するアルキル基の例は、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、第二級ブチル又は第三級ブチルである。
【0013】
R1がメチルであることが好ましく、そしてR2が水素であることが好ましい。
【0014】
式(I)を有する化合物は、式(II):
【0015】
【化4】
【0016】
を有する化合物の、ジアルキルアミン又はジフェニルアミンとの不活性有機溶媒中での反応によって、本発明に従って製造することができる。反応は、R1がメチルでありそしてR2が水素である、式(II)を有する化合物を用いて行うのが好ましい。使用されるジアルキルアミンは、ジメチルアミンであることが好ましい。使用することができる不活性有機溶媒は、例えば、アルカン、芳香族炭化水素又はエーテルである。C5〜C8−アルカン及びトルエンが好ましく、n−ヘキサンが特に好ましい。不活性有機溶媒の混合物もまた、使用することができる。
【0017】
R1がメチルでありそしてR2が水素である、式(II)を有する化合物をn−ヘキサン中でジメチルアミンと反応させるのが特に好ましい。
【0018】
式(II)を有する化合物とアミンは、1:1〜1:20の、好ましくは1:2〜1:10の、特に好ましくは1:2.5〜1:5のモル比で使用するのが好ましい。
【0019】
反応温度は、−100℃と20℃の間で変化させることができ、そして好ましくは−80℃〜−30℃であり、特に好ましくは−70℃〜−40℃である。
【0020】
式(II)を有する化合物の製造は、ドイツ特許19713766に記載されている。
【0021】
反応を遂行する目的で、式(II)を有する化合物を最初に不活性有機溶媒中に導入し、そしてアミンを滴下して添加することができる。この際、反応混合物を攪拌することが好ましい。反応の完結後、反応バッチを濾過し、洗浄することができる。反応生成物を含有している炉液を、精製のために、蒸発し蒸留することができる。
【0022】
本発明による式(I)を有する化合物は、基質に保護層を適用するために使用することができる。これらの保護層は、式(I)を有する化合物を使用してCVD法を実施する本発明に従って形成される。この目的のためには、R1がメチルでありそしてR2が水素である、式(I)を有する化合物が特に好ましい。
【0023】
使用されるCVD法は、好ましくは熱CVD法であり、特に、LPCVD(低圧CVD)法である。しかしながら、本発明においては、熱CVD法の代わりに他のCVD法、特にプラズマCVDを用いることも可能である。
【0024】
熱CVD法を実施することができる装置は、式(I)の液状出発化合物、好ましくは、R1がメチルでありR2が水素である式(I)の液状出発化合物を含有し、そして不活性ガス、例えばアルゴンによって加圧された耐圧気密貯蔵タンクを具備するのが好ましい。液状出発化合物は、流量計を経由して、不活性ガス例えば窒素が同時にそこへ対応するガス流量計を経由して流れている混合器に供給することができる。それによって、混合器中で、液状出発化合物からエアロゾルが生成し、そして加熱された蒸発器中で残留物を残さずに蒸発する。その蒸気を、その中にコーティングする1個又は複数の基質が上下に及び/又は前後に配置されている、好ましくは管状の、コーティング釜の一端に供給する。その管状釜の他端には真空ポンプを接続するのが好ましい。
【0025】
使用する出発化合物が、R1がメチルでありR2が水素である式(I)の化合物である場合には、蒸発器の温度は、好ましくは30℃〜100℃、特に好ましくは50℃〜90℃、さらに特に好ましくは60℃〜80℃である。
【0026】
コーティング釜の圧力は、好ましくは10−1〜10−5mbar、特に好ましくは10−2〜10−3mbarである。
【0027】
コーティング釜において、基質を、好ましくは400℃〜1800℃、特に好ましくは650℃〜1500℃の温度に加熱する。
【0028】
上記のCVD装置は、蒸着条件を正確に維持することができ、従って再現性のある特性を有する層を得ることができる。本発明の方法によって形成した層は元素(ここでは、この用語は、互いの結合をも包含する)ケイ素、窒素、ホウ素及び炭素を含む。これらの元素の他に、層は、出発化合物から生成した有機残留物を含有する可能性がある。これらの有機残留物は層の性質に影響を及ぼす可能性がある。有機残留物を避ける目的で、基質を、適切な高温でコーティングすることができる。しかしながら、コーティングを、むしろ低い基質温度で行うこともでき、その場合、全ての有機残留物は、釜中で600℃〜1800℃で熱後処理することによって除去することができる。
【0029】
本発明に従って形成した層は、式(I)の化合物の使用のために、炭素含量が比較的高い。従って、低炭素含量の場合と対照的に、結晶化は、一般に、2000℃を超える温度においてのみ起こり、そしてこの事によって、これらの層は高温度用途に特に好適となる。
【0030】
本発明による層は、特に、金属、炭素及びセラミック基質の保護に好適である。
【0031】
本発明による層を、金属基質、例えば鋼またはチタン合金からなる基質に適用した場合、それらの層は、高い接着強度を示すという特徴を持つ。このことは、金属基質を研磨しない状態でコーティングする、即ち金属基質が5μmを超える粗さを有する場合に、特にうまくいく。高い接着強度の他に、本発明による層は、高い摩耗強度及び潤滑特性をも有する。後者は、出発物質のアルキル基又はフェニル基に由来する有機残留物の割合によって、影響され得る。
【0032】
本発明による層の優れたトライボロジー特性によって、本発明の方法は、例えば、エンジン製造における金属部分のコーティングに使用することができる。
【0033】
本発明の方法によってコーティングした基質を、酸素含有雰囲気下、即ち例えば空気中で、例えば900℃〜1800℃、特に1200℃〜1600℃の温度に加熱した場合、保護層表面のケイ素はSiO2に酸化される。
【0034】
この酸化は、釜中での好ましくは600℃〜1800℃の温度における、コーティングした基質の後処理によって、又は高温度の空気中での基質の使用中に、行うことができる。基質表面に生成したSiO2は、ホウ素の存在のために、比較的低い融点を有している。このことによって、保護層は、表面領域において比較的低温度でも溶融し、そしてこの溶融物が、保護層の下の領域に生成するクラックを封鎖し、酸素が基質中に浸透するのを防止する。
【0035】
本発明による方法は、約2000℃までの繰り返し熱応力下でさえ、一般にコーティングされた基質を酸化に対して確実に保護する保護層を形成する。
【0036】
以下の実施例は、本発明を具体的に説明するためのものであって制限を示すものではない。
実施例
実施例1
1−トリス(ジメチルアミノ)シリル−1−ビス(ジメチルアミノ)ボリルエタンの製造
【0037】
【化5】
【0038】
ジメチルアミン350mlを、1リットル丸底フラスコ中に−65℃で凝縮させた。
【0039】
1−トリクロロシリル−1−ジクロロボリルエタン68g
【0040】
【化6】
【0041】
を純n−ヘキサン340mlと混合し、ジメチルアミンに70分間かけて滴下して添加した。この間に、フラスコの内容物の温度は−58℃に上昇し、塩酸ジメチルアミンの白色沈殿物が析出した。反応混合物をさらに12時間攪拌し、次いで20℃の温度に徐々に加温した。沈殿物を、リバースフリット(reverse frit)を使用して濾別しそしてn−ヘキサンで洗浄した。濾液を回転型蒸発器で80℃で蒸発させ、続いて減圧下で蒸留した。主留分は、沸点が0.2mbarで69℃〜72℃であった。収率は約80%であった。
実施例2
コーティング実験は、管状釜の中心に位置した、1cmの縁長を有する黒鉛管を用いて行った。 コーティングの前に、管を脱脂し、そして150℃に加熱して乾燥した。黒鉛管をアルゴンの存在下でコーティング釜中で900℃に加熱した。実験温度に達した時、実施例1からの出発化合物1.5mlを貯蔵槽に導入し、全コーティング装置を5.7×10−2mbarに排気した。 圧力を調整した後、貯蔵槽を65℃に加熱した。コーティング装置の圧力は、その過程で7.5×10−2mbarに上昇した。10時間後に、出発化合物は蒸発してしまっており、そして釜を20℃に冷却した。続いてコーティングされた黒鉛管を、アルゴン雰囲気下1450℃で1時間熱分解にかけた。コーティングは基質を均一に被覆しており、X線電子及び透過電子顕微鏡写真が基質とセラミックコーティングの間の緊密な結合を示していた。セラミックコーティングは無定型である。エネルギー分散型X線分析によると、層は、ケイ素、ホウ素、炭素及び窒素を含んでいた。
Claims (15)
- R1がメチルでありそしてR2が水素である、請求項1に記載の化合物。
- R1がメチルでありそしてR2が水素である式(II)を有する化合物を、ジメチルアミンと反応させることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- アルカン、芳香族炭化水素及びエーテルから成る群からの不活性有機溶媒を用いる、前記請求項3及び4のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項1に記載の化合物の、セラミック保護層の形成のための使用。
- 化学蒸着法(CVD)による基質上へのセラミック保護層の製造方法であって、用いられる出発化合物が請求項1に記載の化合物であることを特徴とする方法。
- 用いられる出発化合物が、請求項2に記載の化合物であることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 化学蒸着法が、低圧熱蒸着法(LPCVD)によって実施される、請求項7又は8に記載の方法。
- 圧力が、10−1〜10−5mbarである、請求項9に記載の方法。
- コーティング中、基質を400℃〜1800℃の温度に加熱する、前記請求項7〜10のいずれか1項に記載の方法。
- コーティング後に、基質を、600℃〜1800℃で熱後処理にかけることを特徴とする、前記請求項7〜11のいずれか1項に記載の方法。
- 後処理中、基質を酸素含有雰囲気中に置くことを特徴とする、請求項12に記載の方法。
- 用いられる基質が、金属、炭素又はセラミック基質であることを特徴とする、前記請求項7〜13のいずれか1項に記載の方法。
- 前記請求項7〜14のいずれか1項に記載の方法によって得ることができる、コーティングされた基質。
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