DE2540015A1 - POROESE SILICON NITRIDE BODY AND PROCESS FOR ITS MANUFACTURING - Google Patents
POROESE SILICON NITRIDE BODY AND PROCESS FOR ITS MANUFACTURINGInfo
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Description
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DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR 2540015DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR 2540015
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Poröser Siliciumnitridkörper und Verfahren zu seiner Herstellung.Silicon nitride porous body and method for its manufacture.
Die Erfindung betrifft einen porösen Siliciumnitridkörper mit verminderter Gasdurchlässigkeit und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a porous silicon nitride body with reduced gas permeability and a method for its production.
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* (089) 98 82 72 8 München 80, Maueikircherstraße 45 Banken: Bayerische Vereinsbank München 453100* (089) 98 82 72 8 Munich 80, Maueikircherstraße 45 Banks: Bayerische Vereinsbank Munich 453100
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Ein poröser Siliciumnitridkörper, wie er hierin angesprochen wird, ist ein Siliciumnitridkörper, der eine so große Porosität besitzt, daß er gasdurchlässig ist. Ein Beispiel für einen solchen Körper ist ein poröser Siliciumnitridkörper, der durch den bekannten Reaktionsbindeprozeß hergestellt wird und der üblicherweise eine offene Porosität im Bereich von. 20% bis 40% aufweist und daher für Anwendungszwecke zu durchlässig ist, bei denen das Eindringen oder Austreten von Gas unerwünscht ist, beispielsweise als Wärmeaustauscher. A porous silicon nitride body as addressed herein is a silicon nitride body which has such a large porosity that it is gas-permeable. An example for such a body is a porous silicon nitride body which is produced by the known reaction bonding process and which usually has an open porosity in the range of. Has 20% to 40% and is therefore permeable for applications in which the penetration or Leakage of gas is undesirable, for example as a heat exchanger.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein poröser Siliciumnitridkörper, dessen Gasdurchlässigkeit vermindert ist, so daß er für solche Anwendungszwecke geeignet ist, ohne daß eine wesentliche Verschlechterung der bekannten vorteilhaften Eigenschaften des Siliciumnitrids auftritt.The invention therefore relates to a porous silicon nitride body, whose gas permeability is reduced, so that it is suitable for such uses without a substantial deterioration in the known advantageous properties of silicon nitride occurs.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein poröser Siliciumnitridkörper, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die offenen Poren des Körpers zur Verminderung der Gasdurchlässigkeit teilweise oder vollständig mit einem anhaftenden, hitzebeständigen, Cordierit oder ein Borosilikatglas enthaltenden Füllstoff gefüllt sind.The invention therefore relates to a porous silicon nitride body, which is characterized in that the open pores of the body to reduce the gas permeability partially or completely with an adhering, heat-resistant, cordierite or a borosilicate glass containing Filler are filled.
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Die Cordierit- oder Botosilikat-Füllstoffe sind besonders wertvoll, da sie hitzebeständig sind und Ausdehnungskoeffizienten besitzen, die nicht größer sind als der von Siliciumnitrid. Somit kann ein erfindungsgemäßer Körper, dessen Füllstoff Cordierit enthält, in Form eines Wärmeaustauschers bei Temperaturen bis zu etwa 105O0C angewandt werden, während ein erfindungsgemäßer Körper, dessen Füllstoff ein Borosilikatglas enthält, in ähnlicher Weise, jedoch für Anwendungszwecke bei Temperaturen von bis zu etwa 9OO°C, eingesetzt werden kann.The cordierite or botosilicate fillers are particularly valuable because they are heat-resistant and have coefficients of expansion that are no greater than that of silicon nitride. Thus, a body according to the invention, the filler of which contains cordierite, can be used in the form of a heat exchanger at temperatures up to about 105O 0 C, while a body according to the invention, the filler of which contains a borosilicate glass, can be used in a similar manner, but for purposes of application at temperatures of up to about 900 ° C, can be used.
Vorzugsweise wird Cordierit verwendet, da der Ausdehnungskoeffizient dieses Materials (etwa 2,5 χ 10~ /0C) ähnlich dem von Siliciumnitrid ist. Somit werden beim Erhitzen und beim Abkühlen des Körpers keine merklichen inneren Spannungen entwickelt, die dann auftreten, wenn beispielsweise kristallines Siliciumdioxid als Füllstoff verwendet wird. Es wurde ferner gefunden, daß Cordierit eine unerwartet starke Verminderung der Gasdurchlässigkeit, bezogen auf das Gewicht des eingesetzten Cordierits, verursacht.Cordierite is preferably used, since the expansion coefficient of this material (about 2.5 10 ~ / 0 C) is similar to that of silicon nitride. Thus, when the body is heated and cooled, no noticeable internal stresses are developed, which occur when, for example, crystalline silicon dioxide is used as a filler. It has also been found that cordierite causes an unexpectedly large reduction in gas permeability, based on the weight of the cordierite used.
Die Menge des Cordierits kann beispielsweise im Bereich von 10 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Siliciumnitrids, liegen.The amount of cordierite can be, for example, in the range from 10 to 15% by weight, based on the weight of the silicon nitride, lie.
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Gewünschtenfalls kann ein Cordieritfüllstoff Siliciumoxynitrid in Kombination enthalten. Siliciumoxynitrid hat den Vorteil, daß es mit Siliciumnitrid verträglich ist und einen geringen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der ähnlich dem ist von Siliciumnitrid.If desired, a cordierite filler can be silicon oxynitride included in combination. Silicon oxynitride has an advantage that it is compatible with silicon nitride and low Has expansion coefficients similar to that of silicon nitride.
Wenn der Füllstoff ein Borosilikatglas enthält, liegt der SiC^-Gehalt des Borosilikats vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Siliciumnitrids. Vorzugsweise beträgt das Molverhältnis von SiO2 zu B2O-, in dem Botosilikat nicht weniger als 5:1 und beträgt vorteilhafterweise 10:1.If the filler contains a borosilicate glass, the SiC ^ content of the borosilicate is preferably in a range from 5 to 20% by weight, based on the weight of the silicon nitride. The molar ratio of SiO 2 to B 2 O- in the botosilicate is preferably not less than 5: 1 and is advantageously 10: 1.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Körper.The invention also relates to processes for production the body according to the invention.
Die Erfindung betrifft somit ferner ein Verfahren zur Verminderung der Gasdurchlässigkeit eines porösen Siliciumnitridkörpers, das dadurch gekennzeichnet ist, daß manThe invention thus also relates to a method for reduction the gas permeability of a porous silicon nitride body, which is characterized in that one
1. den Körper mit einer Mischung aus MgO und Al3O3 in bestimmter Zusammensetzung imprägniert,1. impregnated the body with a mixture of MgO and Al 3 O 3 in a certain composition,
2. den imprägnierten Körper einer gesteuerten Oxidation unterzieht, um einen Teil des Siliciumnitrids zu SiO2 zu oxidieren, und2. subjecting the impregnated body to a controlled oxidation in order to oxidize part of the silicon nitride to SiO 2, and
3. den Körper in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre brennt, um die offenen Poren des Körpers teilweise oder vollständig mit Cordierit zu füllen,3. the body in a non-oxidizing atmosphere burns to partially or completely fill the open pores of the body with cordierite,
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wobei die Stufen 1 und 2 derart gesteuert werden, daß sich solche MgO/Al2O3-, MgO/SiO2~ und A^Oo/SiO^Molverhältnisse ergeben, daß in der Stufe 3 Cordierit gebildet wird.wherein stages 1 and 2 are controlled in such a way that such MgO / Al 2 O 3 , MgO / SiO 2 and A ^ Oo / SiO ^ molar ratios result that cordierite is formed in stage 3.
Es ist festzuhalten, daß obwohl die Formel von Cordierit üblicherweise als 2MgO·2Al3O3-5SiO2 angegeben wird, der Cordierit mit SiO2/MgO- und Si02/Al203-Molverhältnissen, die nicht genau 5:2 entsprechen und einem MgO/Al2O3-MoIverhältnis, das nicht genau 1:1 beträgt, vorliegen kann, das heißt das eine gewisse Abweichung von den durch die üblicherweise angegebene Formel definierten Molverhältnissen möglich ist. Vorzugsweise werden die Stufen 1 und 2 jedoch derart gesteuert, daß sich Molverhältnisse ergeben, die der obigen Formel entsprechen.It should be noted that although the formula of cordierite is usually given as 2MgO · 2Al 3 O 3 -5SiO 2 , the cordierite with SiO 2 / MgO and SiO 2 / Al 2 0 3 molar ratios that are not exactly 5: 2 and an MgO / Al 2 O 3 molar ratio that is not exactly 1: 1 can be present, that is to say that a certain deviation from the molar ratios defined by the formula usually given is possible. However, stages 1 and 2 are preferably controlled in such a way that molar ratios result which correspond to the above formula.
Die Stufe 1 kann bequem dadurch durchgeführt werden, daß man den Körper in eine wässrige Lösung einer zu MgO zersetzbaren Magnesiumverbindung, beispielsweise Magnesiumnitrat, eintaucht, den Körper trocknet und die Magnesiumverbindung zu MgO zersetzt und diese Maßnahmen unter Verwendung einer wässrigen Lösung einer zu Al2Oo zersetzbaren Aluminiumverbindung, wie Aluminiumnitrat, wiederholt. Die Zersetzung sowohl der Magnesiumverbindung als auch der Aluminiumverbindung kann bei einer Temperatur unterhalb 1000°C durchgeführt werden und erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur unterhalb 800°C. Die Reihenfolge der Imprägnierung ist unkritisch. Somit kann der KörperStep 1 can conveniently be carried out by immersing the body in an aqueous solution of a magnesium compound that can be decomposed to MgO, for example magnesium nitrate, drying the body and decomposing the magnesium compound to MgO, and these measures using an aqueous solution of a magnesium compound that can be decomposed to Al 2 Oo decomposable aluminum compound such as aluminum nitrate. The decomposition of both the magnesium compound and the aluminum compound can be carried out at a temperature below 1000.degree. C. and is preferably carried out at a temperature below 800.degree. The order of impregnation is not critical. Thus the body can
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gewünschtenfalls zunächst mit Al-O3 und dann mit MgO imprägniert werden oder die Imprägnierung kann gleichzeitig erfolgen, indem man eine Lösung verwendet, die sowohl Magnesium- als auch Aluminium-Verbindungen enthält. Die Menge des zugeführten Oxids wird durch die Konzentration der wässrigen Lösung gesteuert. Die Maßnahmen des Eintauchens, Trocknens und Zersetzens können wiederholt werden, wenn die Menge des vorhandenen Oxids erhöht werden soll. Vorzugsweise soll die Gesamtmenge des nach dem Imprägnieren vorhandenen Oxids zwiöchen 3 und 7 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Siliciumnitrids, liegen (und beispielsweise etwa 5% betragen) . Gewünschtenfalls können zusätzlich geringe Mengen an von MgO und Al-O3 verschiedenen Oxiden zugesetzt werden, die in der Lage sind, die sich anschließende Bildung des Cordierits zu erleichtern. Somit kann man 1 bis 2 Gew.-% (bezogen auf das Gesamtgewicht von MgO + Al3Oo) eines Oxids wie Lithiumoxid, Calciumoxid, Mangan(III)-oxid und Yttriumoxid zusetzen.if desired, they can be impregnated first with Al-O 3 and then with MgO, or the impregnation can be carried out simultaneously by using a solution which contains both magnesium and aluminum compounds. The amount of oxide supplied is controlled by the concentration of the aqueous solution. The operations of dipping, drying and decomposing can be repeated when the amount of oxide present is to be increased. Preferably, the total amount of oxide present after impregnation should be between 3 and 7% by weight based on the weight of the silicon nitride (and for example about 5%). If desired, small amounts of oxides other than MgO and Al — O 3 , which are able to facilitate the subsequent formation of the cordierite, can additionally be added. Thus, 1 to 2% by weight (based on the total weight of MgO + Al 3 Oo) of an oxide such as lithium oxide, calcium oxide, manganese (III) oxide and yttrium oxide can be added.
Die Oxidationsstufe (Stufe 2) kann geeigneterweise an der Luft und bei einer Temperatur oberhalb 1000°C erfolgen.The oxidation state (stage 2) can suitably be at the Air and at a temperature above 1000 ° C.
Wenn während der Brennstufe (Stufe 3) neben dem Cordierit Siliciumoxynitrid gebildet werden soll, kann es notwendig sein, das Brennen bei einer Temperatur von 1400°C oder mehr, beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich von 1400°C bis 15000C, durchzuführen. Es hat sich im allgemeinen ge-If to be formed during the firing step (step 3) in addition to the cordierite silicon oxynitride, it may be necessary to perform firing at a temperature of 1400 ° C or more, for example at a temperature in the range 1400 ° C to 1500 0 C,. It has generally
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zeigt, daß keine merkliche Siliciumoxynitridbildung erfolgt, wenn das Brennen bei Temperaturen unterhalb 140O0C, beispielsweise bei Temperaturen von 1300°C bis 138O°C, bewerkstelligt wird. Vorzugsweise erfolgt das Brennen in einer statischen Atmosphäre, da eine Verflüchtigung des Füllstoffs bei der Brenntemperatur erfolgen kann, wenn der Körper einer zu starken Gasströmung ausgesetzt wird, was eine entsprechende Zunahme der Durchlässigkeit zur Folge hat. Eine für die Brennstufe geeignete nicht-oxidierende Atmosphäre ist eine Stickstoffatmosphäre.shows that no appreciable Siliciumoxynitridbildung occurs when firing at temperatures below 140o 0 C, for example at temperatures of 1300 ° C to 138O ° C accomplished. The firing is preferably carried out in a static atmosphere, since the filler can volatilize at the firing temperature if the body is exposed to an excessive gas flow, which results in a corresponding increase in permeability. A non-oxidizing atmosphere suitable for the firing step is a nitrogen atmosphere.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verminderung der Gasdurchlässigkeit eines porösen Siliciumnitridkörpers, das dadurch gekennzeichnet ist, daß manAnother object of the invention is a method for reducing the gas permeability of a porous silicon nitride body, which is characterized in that one
a) den Körper mit B2O3 imprägniert,a) the body is impregnated with B2O 3,
b) den imprägnierten Körper einer gesteuerten Oxidation unterzieht, um einen Teil des Siliciumnitrid-s zu SiO ~ zu oxidieren, undb) subjecting the impregnated body to a controlled oxidation in order to add some of the silicon nitride To oxidize SiO ~, and
c) den Körper in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre brennt, um die offenen Poren des Körpers teilweise oder vollständig mit einem Borosilikatglas zu füllenc) the body in a non-oxidizing atmosphere burns to partially or completely fill the open pores of the body with a borosilicate glass
wobei die Stufe b so gesteuert wird, daß sich ein solches SiO2/B2O3^tolverhältnis ergibt, daß sich in der Stufe c ein Botosilikatglas bildet.Step b is controlled in such a way that such a SiO 2 / B 2 O 3 ^ tol ratio results that a botosilicate glass is formed in step c.
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Das Imprägnieren (Stufe a) kann in der Weise erfolgen,daß man den Körper in eine wässrige Lösung einer zu 62O3 zersetzbaren Borverbindung, beispielsweise Borsäure, eintaucht, den Körper trocknet und die Borverbindung zu B3O3 zersetzt. Vorzugsweise sollte die nach dem Imprägnieren vorhandene gesamte Boroxidmenge 1 bis 4 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Siliciumnitrids, betragen. Gewünschtenfalls können zusätzlich geringe Mengen an von B3O3 verschiedenen Oxiden, die in der Lage sind, die Verflüchtigung des Boroxids zu inhibieren, zugesetzt werden. Somit können bis zu 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Boroxids, eines Oxids, wie Calciumoxid, zugegeben werden.The impregnation (stage a) can be carried out in such a way that the body is immersed in an aqueous solution of a boron compound which can be decomposed to 62O 3 , for example boric acid, the body is dried and the boron compound is decomposed to B 3 O 3. The total amount of boron oxide present after impregnation should preferably be 1 to 4% by weight, based on the weight of the silicon nitride. If desired, small amounts of oxides other than B 3 O 3 which are able to inhibit the volatilization of the boron oxide can additionally be added. Thus, up to 5% by weight, based on the weight of the boron oxide, of an oxide such as calcium oxide can be added.
Die Oxidationsstufe (Stufe b) kann bequemerweise an der Luft und bei einer Temperatur von mehr als 10000C durchgeführt werden. Vorzugsweise wird die Oxidationsstufe derart gesteuert, daß sich 5 bis 20 Gew.-% SiO2, bezogen auf das Gewicht des Siliciumnitrids, ergeben. Weiterhin sollte das Molverhältnis von SiO2 zu B2O3 nicht weniger als 5:1 betragen und beläuft sich vorzugsweise auf 10:1.The oxidation stage (stage b) can be conveniently carried out in air and at a temperature of more than 1000 0 C. The oxidation stage is preferably controlled in such a way that 5 to 20% by weight of SiO 2 , based on the weight of the silicon nitride, result. Furthermore, the molar ratio of SiO 2 to B 2 O 3 should not be less than 5: 1 and is preferably 10: 1.
Eine für das Brennen (Stufe c) geeignete nicht-oxidierende Atmosphäre ist eine Stickstoffatmosphäre. Die geeigneten Brenntemperaturen erstrecken sich von 1200°C bis 1300°C.A non-oxidizing one suitable for firing (stage c) Atmosphere is a nitrogen atmosphere. The suitable firing temperatures range from 1200 ° C to 1300 ° C.
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Gegenstand der Erfindung ist auch der poröse Siliciumnitridkörper, dessen Gasdurchlässigkeit mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens vermindert worden ist.The invention also relates to the porous silicon nitride body, whose gas permeability has been reduced with the aid of the method according to the invention.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.The following examples serve to further illustrate the invention.
Man taucht eine Probe aus porösem Si3N4 (mit einer offenen Porosität von etwa 35%) in eine heiße, mit Wasser auf 100 cm3 aufgefüllte Lösung von 22 g Mg(NO3)2'6H3O und 64 g Al (NO3)2·9H2O. Nach 30 Minuten entnimmt man dieProbe, trocknet sie und brennt sie während 30 Minuten bei 75O0C, um die Nitrate zu den Oxiden (MgO bzw. Al2O3) zu zersetzen. Beim Wiegen ergibt sich, daß eine Gewichtszunahme von 5,8 Gew.-% erfolgt ist. Die Probe wird dann durch Erhitzen an der Luft während 1 Stunde bei 11OO°C oxidiert, wobei sich eine Gewichtszunahme von 1,4 Gew.-% (was einer Menge von etwa 6 Gew.-% SiO2 entspricht) einstellt und ein Produkt gebildet wird, das 12,6 Gew.-% Cordierit, bezogen auf das Gewicht des Siliciumnitrids (Si3N4) enthält. Schließlich wird die Probe in einer Stickstoffatmosphäre während 4 Stunden bei 138O°C gebrannt. Die Pulver-Röntgenuntersuchung des Produkts zeigt die Anwesenheit von Cordierit und die Abwesenheit von kristallinem Siliciumdioxid.Is immersed a sample of porous Si 3 N 4 (with an open porosity of about 35%) in a hot, with water to 100 cm 3 padded solution of 22 g of Mg (NO 3) 2 '6H 3 O and 64 g of Al ( NO 3) 2 · 9H 2 O. After 30 minutes, the sample extracts is combined, dried and burns it during 30 minutes at 75O 0 C to the nitrates to the oxides (MgO and Al 2 O 3 to decompose). Weighing shows that there has been a weight increase of 5.8% by weight. The sample is then oxidized by heating in air for 1 hour at 1100 ° C., a weight increase of 1.4% by weight (which corresponds to an amount of about 6% by weight SiO 2 ) being established and a product being formed which contains 12.6% by weight of cordierite, based on the weight of the silicon nitride (Si 3 N 4 ). Finally, the sample is fired in a nitrogen atmosphere at 138O ° C. for 4 hours. X-ray powder examination of the product shows the presence of cordierite and the absence of crystalline silica.
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Der mit einem Stickstoffstrom bestimmte Durchlässigkeits-The permeability determined by a stream of nitrogen
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koeffizient beträgt 0,0002 χ 10 .Im Vergleich dazu beträgt der Durchlässigkeitskoeffizient des porösen Siliciumnitridkörpers vor der Behandlung 0,33 χ 10coefficient is 0.0002 χ 10. In comparison, is the permeability coefficient of the silicon nitride porous body before the treatment was 0.33 χ 10
Man wiederholt die Maßnahmen des Beispiels 1, mit dem Unterschied, daß man das Brennen während 4 Stunden bei 145O°C durchführt. Die Analyse des Endprodukts zeigt, daß es Siliciumoxynitrid enthält.The measures of Example 1 are repeated, with the difference that that the firing is carried out at 1450 ° C. for 4 hours. Analysis of the final product shows that it is Contains silicon oxynitride.
Man taucht eine Probe aus porösem Siliciumnitrid 34 während 15 Minuten in eine heiße, mit Wasser auf 50 cm3 aufgefüllte Lösung von 10 g Borsäure und 2 g Ca(NO3)2'4H2O. Nach dem Trocknen wird die Probe während 30 Minuten bei etwa 75O°C gebrannt, um die Borsäure zu B3O3 und das Ca(NO-.) 9 zu CaO zu zersetzen. Beim Wiegen zeigt sich, daß eine Gewichtszunahme von 2 Gew.-% eingetreten ist. Die Probe wird dann durch Erhitzen an der Luft auf 1150°C oxidiert, wobei eine Gewichtszunahme von 2,8 Gew.-% (was etwa 12 Gew.-% SiO2 entspricht) eintritt. Schließlich wird die Probe in Stickstoff während 2 Stunden bei 125O°C gebrannt.Is immersed a sample of porous silicon 34 for 15 minutes in a hot, with water to 50 cm 3 padded solution of 10 g of boric acid and 2 g of Ca (NO 3) 2 '4H 2 O. After drying the sample for 30 minutes Fired at about 750 ° C to decompose the boric acid to B 3 O 3 and the Ca (NO-.) 9 to CaO. Weighing shows that a weight increase of 2% by weight has occurred. The sample is then oxidized by heating in air to 1150 ° C., a weight increase of 2.8% by weight (which corresponds to about 12% by weight of SiO 2 ) occurring. Finally, the sample is burned in nitrogen at 125O ° C. for 2 hours.
Die durch die Paraffinverdrängung gemessene offene Porosität des Produkts beträgt 5,5%. Die offene Porosität desThe open porosity measured by paraffin displacement of the product is 5.5%. The open porosity of the
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porösen Siliciumnitridkörpers vor der Behandlung ergab sich zu 35,7%.silicon nitride porous body before the treatment resulted at 35.7%.
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Claims (22)
SiO- zu oxidieren, und2. Subjecting the impregnated body to a controlled oxidation in order to add some of the silicon nitride
SiO- to oxidize, and
brennt, um die offenen Poren des Körpers teilweise oder vollständig mit Cordierit zu füllen,3. the body in a non-oxidizing atmosphere
burns to partially or completely fill the open pores of the body with cordierite,
wird.stages 1 and 2 are controlled in such a way that such MgO / Al 2 O 3 , MgO / SiO 2 ~ and Al 2 0 3 / Si0 2 molar ratios result that cordierite is formed in stage 3
will.
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