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Das Stammpatent Nr. 298412 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumnitriderzeugnisses, demzufolge erfindungsgemäss Silizium und ein gegenüber Silizium inertes Fasermaterial, z. B. Asbest, auf eine Unterlage, wie eine Platte od. dgl. Formkern, aufgesprüht und dann das Silizium in einer Stickstoffatmosphäre erwärmt wird.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der vorerwähnten Gattung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass als inertes Fasermaterial beschichtete Kohlefasern verwendet werden.
In einem Versuch wurde eine Platte durch abwechselndes Flammsprühen einer Schicht von Silizium und einer wässerigen Suspension von beschichteten Kohlefasern auf eine mit Natriumchlorid beschichtete und zur Verdampfung des Wassers und Verhinderung einer Laminatbildung im Überzug auf 175 C gehaltene Stahlunterlage hergestellt. Hierauf wurde die Unterlage gekühlt und in heissem entionisiertem Wasser eingeweicht, um die Siliziumplatte abzulösen und jegliche Spuren von Salz zu entfernen, worauf die Nitridbildung in einem vakuumdichten Ofen in einer Atmosphäre von 90% Stickstoff und 10% Wasserstoff durchgeführt wurde ; die Temperatur wurde um 80 C/h auf 1275 C erhöht und auf diesem Wert 12 h lang gehalten, worauf sie auf 1450 C erhöht und dann für weitere 18 h auf dieser Höhe gehalten wurde, um das gewünschte Siliziumnitriderzeugnis zu gewinnen.
Es ist zu beachten, dass das vorstehend angeführte Beispiel sich von jenem nach dem obenerwähnten Stammpatent Nr. 298412 nur dadurch unterscheidet, dass das inerte Fasermaterial aus beschichteten Kohlefasern besteht.
Die Kohlefasern bewirken eine Erhöhung der durchschnittlichen Bruchfestigkeit des Materials bei beträchtlich geringerer Streuung dieser Werte.
Für einen Vergleich wurden die Bruchmodule dreier Platten gemessen, wobei die Maximalwerte für eine Siliziumnitridplatte ohne Fasern, einy solche mit Siliziumkarbid und Siliziumnitrid beschichteten Fasern und eine solche nur mit Siliziumkarbid beschichteten Fasern 2240 kg/cm2, 1995 kg/cm2 bzw. 1850 kg/cm2 betrugen.
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kg/cm2, 1645 kg/cm21750 kg/cm2, 1820 kg/cm2 bzw. 1750 kg/cm2 ergaben.
Aus diesen Angaben kann ersehen werden, dass, obwohl die Maximalwerte herabgesetzt wurden, der Minimalwert für die Platte mit Fasern, welche mit Siliziumkarbid und Siliziumnitrid beschichtet wurden, beträchtlich erhöht wwerden konnte, während bei der Platte mit Fasern, welche nur mit Siliziumkarbid beschichtet waren, der Minimalwert gleichgehalten, die Streuung der Werte jedoch wesentlich verringert werden konnte.
Bei der Verwendung von Kohlefasern muss ein Überzug in Form eines Bindemittels vorliegen, welches eine Bindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Siliziumnitrid fördert. Wenn die Kohlefasern nicht überzogen sind, so reagieren sie unkontrolliert mit dem Siliziumnitrid unter Bildung von Siliziumkarbid, woraus eine unbefriedigende Bindung der Faser mit dem Grundgefüge resultiert und der Wert der Kohlefasern verloren geht.
Möglicherweise besitzt ein einzelnes Bindemittel nicht immer die erforderlichen Eigenschaften und daher werden gemäss einer besonderen Ausführungsform der Erfindung die Kohlefasern zuerst mit Siliziumkarbid beschichtet, wobei die Siliziumkarbidschicht eine zulässige kontrollierte Dicke besitzt. Das Siliziumkarbid wird sodann mit Siliziumnitrid beschichtet, so dass der Kombinationsüberzug bestehend aus Siliziumkarbid und Siliziumnitrid als Bindemittel fungiert. An Stelle des im Bindemittel eingesetzten Siliziumkarbid können auch andere feuerfeste Materialien verwendet werden, um die Fasern zu beschichten, wie beispielsweise Bornitrid, Borkarbid, Zirkonborid und Titandiborid, wenngleich die Verwendung dieser andern Materialien von der Temperatur abhängt, bis auf welche das fertige Siliziumnitriderzeugnis während seines Gebrauches erhitzt wird.
So kann beispielsweise nur Siliziumkarbid für Betriebstemperaturen von mehr als 10000C verwendet werden, wogegen sich Borkarbid, Zirkondiborid und Titandiborid nur für Temperaturen unterhalb 1000 C und Bornitrid nur für Temperaturen unterhalb 70000C eignen.
Die Fasern werden beispielsweise von einem Kohlefaserbündel in einer Länge von etwa 30 mm abgeschnitten und sollen einen Durchmesser von 7 bis 8 jU aufweisen. Die einzelnen Fasern werden sodann auf einen feuerfesten Ziegel aufgelegt, der im Vakuum in einem herkömmlichen Ofen auf eine Temperatur von 1100 bis 14000C erhitzt wird, um die Fasern zu reinigen. Das Vakuum im Ofen wird sodann durch eine Kombination von Methyltrichlorsilan und Wasserstoff zwecks Abscheidung des Siliziumkarbid ersetzt, wobei die Temperatur auf 1450 C eingeregelt und der Niederschlagsvorgang so lange geführt wird, bis eine Siliziumkarbidschicht von einer Dicke von etwa 0, 1 bis 2 but, vorzugsweise l jU, auf der Faser erhalten wurde.
Die Beschichtung macht solcherart bis zu 10%, vorzugsweise zwischen 2 und 5%, des Fasergewichtes aus.
Die Atmosphäre im Ofen wird sodann durch eine solche bestehend aus Silan und Ammoniak in überschüssigem Wasserstoff ersetzt und die Temperatur auf 10000C eingeregelt, um eine Schicht von Siliziumnitrid von vorzugsweise l je Dicke auf den beschichteten Fasern niederzuschlagen, die sodann mit Silizium vermischt und auf einen Formkern aufgesprüht und in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt werden, um das Siliziumnitriderzeugnis zu bilden.
Nach diesem Verfahren werden Fasern erhalten, die zur Gänze überzogen sind. In manchen Fällen kann es jedoch zweckmässig sein, die Stränge zu beschichten und sodann zu zerschneiden, wobei natürlich die Enden einer jeden Faser unbeschichtet sind.
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Gemäss einer Abwandlung des oben angegebenen Beispiels wurde die letzte Beschichtung der Fasern mit Siliziumnitrid unterlassen, wobei ein Siliziumnitriderzeugnis mit einer geringeren Querbruchfestigkeit als im vorstehenden Beispiel, jedoch bei geringeren Schwankungen in der Querbruchfestigkeit bei einer Reihe von Produkten im Vergleich zu Siliziumnitriderzeugnissen ohne Kohlefasern erhalten wurde.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines Siliziumnitriderzeugnisses, bei dem Silizium und ein gegenüber Silizium inertes Fasermaterial auf einer Unterlage, wie eine Platte od. dgl. Formkern, aufgesprüht und dann das Silizium in einer Stickstoffatmosphäre erwärmt wird, nach Patent Nr.298412, dadurch gekennzeichnet, dass als inertes Material beschichtete Kohlefasern verwendet werden.
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