CH622231A5

CH622231A5 - Process for producing a ceramic material

Info

Publication number: CH622231A5
Application number: CH1732374A
Authority: CH
Inventors: Roland John Lumby; Bernard North
Original assignee: Lucas Ltd Joseph
Priority date: 1974-06-20
Filing date: 1974-12-24
Publication date: 1981-03-31
Also published as: DE2461740A1; GB1482465A; CA1048229A; NL7416980A; ATA1039474A; AT367386B; AU7646874A; BE823935A; FR2275423B1; SE7416277L; JPS51508A; SU799640A3; SE404182B; JPS6041025B2; DK659974A; FR2275423A1; IT1026183B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her-20 Stellung eines keramischen Materials, wobei ein Gemisch auf eine Temperatur zwischen 1200°C und 2000°C erwärmt wird, das entweder ausschliesslich aus The present invention relates to a method for producing a ceramic material, a mixture being heated to a temperature between 1200 ° C. and 2000 ° C., which either exclusively

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bis zu 98 Gew.-% Stickstoffsilicid up to 98% by weight nitrogen silicide

1 bis 60 Gew.-% Aluminiumnitrid 1 to 60% by weight aluminum nitride

0,5 bis 50 Gew.-% Kieselerde 0.5 to 50% by weight of silica

0,05 bis 60 Gew.-% Tonerde besteht, There is 0.05 to 60% by weight of alumina,

wobei ein Teil, aber nicht die ganze Kieselerde im Gemisch 3o als Verunreinigung des Sitckstoffsilicids vorhanden ist, oder ausschliesslich aus whereby part, but not all, of the silica is present in the mixture as an impurity of the nitrogenous silicide, or exclusively from it

40 bis 60 Gew.-% Aluminiumnitrid 15 bis 45 Gew.-% Kieselerde 0,05 bis 50 Gew.-% Tonerde 40 to 60% by weight aluminum nitride 15 to 45% by weight silica 0.05 to 50% by weight alumina

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besteht. consists.

Sie betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials, wobei ein Gemisch auf eine Temperatur zwischen 1200°C und 2000°C erwärmt wird, das eine erste 40 Komponente enthält, die mindestens 95 Gew.-% des Gemisches ausmacht und entweder ausschliesslich aus bis zu 98 Gew.-% Stickstoffsilicid It also relates to a method for producing a ceramic material, in which a mixture is heated to a temperature between 1200 ° C and 2000 ° C, which contains a first 40 component, which makes up at least 95 wt .-% of the mixture and either exclusively from to 98% by weight of nitrogen silicide

1 bis 60 Gew.-% Aluminiumnitrid 1 to 60% by weight aluminum nitride

0,5 bis 50 Gew.-% Kieselerde 0.5 to 50% by weight of silica

0,05 bis 60 Gew.-% Tonerde 0.05 to 60 wt% alumina

45 45

besteht, consists,

wobei ein Teil, aber nicht die ganze Kieselerde im Gemisch als Verunreinigung des Stickstoffsilicids vorhanden ist, oder so ausschliesslich aus wherein part, but not all, of the silica is present in the mixture as an impurity of the nitrogen silicide, or so exclusively

40 bis 60 Gew.-% 15 bis 45 Gew.-% 0,05 bis 50 Gew.-% 40 to 60% by weight 15 to 45% by weight 0.05 to 50% by weight

Aluminiumnitrid Aluminum nitride

Kieselerde Silica

Tonerde Alumina

55 besteht. 55 exists.

Ein Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kieselerde in einem Molekularverhältnis von 1:2 mit einem Teil des Aluminiumnitrids vorhanden ist, und dass Tonerde in einem Molekular Verhältnis 60 von 1:1 mit dem Rest des Aluminiumnitrids vorhanden ist, wobei die Bestandteile des Gemisches zusammen reagieren, um das erforderliche keramische Material zu bilden, und dass bei Nichtvorhandensein von Stickstoffsilicid das Atomverhältnis von Silicium: Aluminium, Stickstoff: Sauerstoff 6-z:z:8-z:z 65 entspricht, wobei z grösser als 4 und kleiner als oder gleich 5 ist. A method according to the present invention is characterized in that the silica is present in a molecular ratio of 1: 2 with part of the aluminum nitride and that alumina is present in a molecular ratio 60 of 1: 1 with the rest of the aluminum nitride, the Components of the mixture react together to form the required ceramic material and that in the absence of nitrogen silicide the atomic ratio of silicon: aluminum, nitrogen: oxygen corresponds to 6-z: z: 8-z: z 65, where z is greater than 4 and is less than or equal to 5.

Ein weiteres Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass im Gemisch bei der genannten Temperatur eine zweite Kom- Another method is characterized in that in the mixture at the temperature mentioned a second com-

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ponente vorhanden ist, die geschmolzenes Glas in der Form eines Bor- oder Eisensilicat-glases, eines Manganglases oder Lithiumglases ist, und dass in der ersten Komponente Kieselerde vorhanden ist, in einem Molekularverhältnis von 1:2 mit einem Teil von Aluminiumnitrid, und Tonerde vorhanden ist in einem Molekularverhältnis von 1:1 mit dem Rest des Aluminiumnitrids, wobei die Bestandteile der ersten Komponente bei der genannten Temperatur miteinander reagieren um das keramische Material zu erzeugen, und dass bei Nichtvorhandensein von Stickstoffsilicid das Atomverhältnis von Silicium: Aluminium: Stickstoff: Sauerstoff 6-z:z 8-z:z entspricht, wobei z grösser als 4 und kleiner als oder gleich 5 ist. component is present, which is molten glass in the form of a boron or iron silicate glass, a manganese glass or lithium glass, and that in the first component there is silica, in a molecular ratio of 1: 2 with a part of aluminum nitride, and alumina is in a molecular ratio of 1: 1 with the rest of the aluminum nitride, the components of the first component reacting at the temperature mentioned to produce the ceramic material, and that in the absence of nitrogen silicide the atomic ratio of silicon: aluminum: nitrogen: oxygen 6 -z: z corresponds to 8-z: z, where z is greater than 4 and less than or equal to 5.

Anhand der beigelegten Figuren werden besondere Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt: Special exemplary embodiments are explained in more detail with the aid of the attached figures. It shows:

Fig. 1 ein Vierphasendiagramm, welches beispielsweise die Zusammensetzungen von verschiedenen Gemischen aus Aluminiumnitrid, Kieselerde, Tonerde und Stickstoffsilicid darstellt, welche im erfindungsgemässen Verfahren Verwendung finden, 1 is a four-phase diagram which shows, for example, the compositions of various mixtures of aluminum nitride, silica, alumina and nitrogen silicide which are used in the process according to the invention,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Einheitszellen-Di-mensionen der keramischen Materialien. Fig. 2 is a graphical representation of the unit cell dimensions of the ceramic materials.

In einem ersten Beispiel wurde eine keramisches Material aus einem Ausgangsgemisch bestehend aus 78,48 Gew.-% Stickstoffsilicidpulver, 14,76 Gew.-% Aluminiumnitridpulver und 6,76 Gew.-% Kieselerdepulver hergestellt. In diesem Gemisch enthielt das Stickstoffsilicidpulver 89 Gew.-% des œ-Phasenmaterials und hatte eine mittlere Partikelgrösse von 3 Mikron, während das Aluminiumnitridpulver des Typs «Koch-Light 8006H» eine mittlere Partikelgrösse 11,5 Mikron hatte, jedoch vor der Verwendung zu einem durchschnittlichen Wert von 6 Mikron zerkleinert worden ist. Das Kieselerdepulver wurde von Hopkin und Williams Limited als reine ausgeschiedene Kieselerde geliefert. In a first example, a ceramic material was produced from a starting mixture consisting of 78.48% by weight of nitrogen silicide powder, 14.76% by weight of aluminum nitride powder and 6.76% by weight of silica powder. In this mixture, the nitrogen silicide powder contained 89% by weight of the œ-phase material and had an average particle size of 3 microns, while the aluminum nitride powder of the type "Koch-Light 8006H" had an average particle size of 11.5 microns, but before use to one average value of 6 microns has been crushed. The silica powder was supplied by Hopkin and Williams Limited as pure precipitated silica.

Von den Ausgangsstoffen, welche im obengenannten Gemisch verwendet worden sind, enthielt Stickstoffsilicidpulver unvermeidlich Kieselerde als Verunreinigung in Form eines Überzuges über den Partikeln des Stickstoffsilicids, und das Aluminiumnitridpulver enthielt eine Verunreinigung von Tonerde. Somit ist es offensichtlich, dass das Ausgangsgemisch des ersten Beispiels Tonerde zusätzlich zum Aluminiumnitrid, Kieselerde und Stickstoffsilicid enthielt. Darüber hinaus nahmen vor der Produktion des obenerwähnten Gemisches die im Stickstoffsilicid und im Aluminiumnitrid enthaltenden Verunreinigungen in der nachfolgenden Reaktion teil, um das gewünschte keramische Material herzustellen, wobei die Verunreinigungsgrade in diesen Ausgangsmaterialien mittels schneller Neutronenaktivierung bestimmt worden sind. Danach wurde eine Toleranz für die Verunreinigungen angegeben, in der Zusammensetzung wie sie oben für das Ausgangsgemisch angegeben ist. Bei der Verwendung des besonderen Ausgangsmaterials hat man gefunden, dass der Gehalt des Stickstoffsilicidpulvers 4 Gew.-% betrug, und dass der Tonerdegehalt des Aluminiumnitrids 6 Gew.-% betrug. Somit war in der Gesamtzusammensetzung des Gemisches tatsächlich 75,34 Gew.-% Stickstoffsilicid, 13,87 Gew.-% Aluminiumnitrid, 0,89 Gew.-% Tonerde und 9,9 Gew.-% Kieselerde. Die Zusammensetzung wird durch den Punkt A in der Figur 1 definiert, wobei die Achsen dem reinen Material ohne Verunreinigungen entsprechen. Of the raw materials used in the above mixture, nitrogen silicide powder inevitably contained silica as an impurity in the form of a coating over the particles of nitrogen silicide, and the aluminum nitride powder contained an impurity of alumina. Thus, it is evident that the starting mixture of the first example contained alumina in addition to aluminum nitride, silica and nitrogen silicide. In addition, before the production of the above-mentioned mixture, the impurities contained in the nitrogen silicide and the aluminum nitride participated in the subsequent reaction to produce the desired ceramic material, and the degree of contamination in these starting materials was determined by means of rapid neutron activation. A tolerance for the impurities was then given, in the composition as given above for the starting mixture. When using the special starting material, it was found that the content of the nitrogen silicide powder was 4% by weight and that the alumina content of the aluminum nitride was 6% by weight. Thus, in the overall composition of the mixture, there was actually 75.34% by weight of nitrogen silicide, 13.87% by weight of aluminum nitride, 0.89% by weight of alumina and 9.9% by weight of silica. The composition is defined by point A in FIG. 1, the axes corresponding to the pure material without impurities.

Um das obenerwähnte Gemisch herzustellen, wurden die erforderlichen Mengen der Ausgangsmaterialien in eine Kolloidmühle gegeben, wo eine Mischung unter Verwendung eines Isopropylalkohols als Trägerflüssigkeit stattgefunden hat und so lange weitergeführt worden ist, bis die mittlere Partikelgrösse des Gemisches kleiner als 3 Mikron betrug. Das Gemisch wurde sodann getrocknet und danach gesiebt um die Pulveraggregate zu entfernen. Danach wurde die Verunreinigung bestimmt um festzustellen, ob das Verfahren einen Ein- In order to prepare the above-mentioned mixture, the required amounts of the starting materials were put in a colloid mill, where mixing was carried out using an isopropyl alcohol as the carrier liquid and continued until the average particle size of the mixture was less than 3 microns. The mixture was then dried and then sieved to remove the powder aggregates. The contamination was then determined to determine whether the procedure

fluss auf den Verunreinigungsgehalt der Ausgangsmaterialien ausgeübt hat, aber man hat gefunden, dass dieser Gehalt durch den Vorgang in der Kolloidmühle oder durch das Trocknen und Sieben nicht geändert worden ist. 5 Das Gemisch wurde dann in das innere einer Graphitform hineingegeben, welche mit einem Verschlussstück verschlossen worden ist. Der Graphitstempel wurde dann zusammengefügt, so dass alle Graphitflächen mit dem Pulver in Berührung kamen, welche Graphitflächen vorher mit Bornitrid sprüh-io überzogen wurden, die bis zu einer Tiefe in der Grössenord-nung von 0,25 mm (0,01") vordrang. Das Ganze wurde dann in eine Presse gegeben, wo die Temperatur unter Druck gleichzeitig während einer Zeit von 30 Minuten auf 1800°C und 23,6 kp/mm2 erhöht worden sind. Das Gemisch wurde 15 dann bei dieser Temperatur und bei diesem Druck während einer Stunde gehalten, und unter diesen Bedingungen reagierten die Bestandteile des Gemisches um das erforderliche keramische Material herzustellen. Beim Abkühlen wurde das Reaktionsprodukt aus der Form entfernt und die kristallinen 2o Phasen des Produktes wurden mittels Röntgenstrahlenbeu-gung bestimmt, wobei ein Unicam Spektrometer mit einer Cr-Ka monochromatischer Strahlung verwendet worden ist. Die Röntgenstrahlenanalyse hat gezeigt, dass das Reaktionsprodukt im wesentlichen aus Einkristallinerphase keramischen 25 Materials besteht gemäss der Formel: flow to the contaminant content of the starting materials, but it has been found that this content has not been changed by the colloid mill process or by drying and sieving. 5 The mixture was then placed inside a graphite mold which was sealed with a plug. The graphite stamp was then put together so that all graphite surfaces came into contact with the powder, which graphite surfaces had previously been spray-coated with boron nitride that penetrated to a depth of the order of 0.25 mm (0.01 ") The whole was then placed in a press where the temperature under pressure had been raised simultaneously to 1800 ° C. and 23.6 kp / mm 2 over a period of 30 minutes, and the mixture was then kept at this temperature and pressure for 15 minutes held for one hour and the components of the mixture reacted under these conditions to produce the required ceramic material. Upon cooling, the reaction product was removed from the mold and the crystalline 20 phases of the product were determined by means of X-ray diffraction, using a Unicam spectrometer with a Cr -Ka monochromatic radiation has been used.X-ray analysis has shown that the reaction product is essentially single crystal Inerphase ceramic 25 consists of the formula:

Si6-Z Alz Ns_z Oz, Si6-Z Alz Ns_z Oz,

wobei z gleich 1 war. Das keramische Material wies auch eine 30 Kristallstruktur auf, welche auf der ß-Phase des Stickstoffsilicids basiert, aber mit a und c Einheitszellen-Dimensionen welche 7,648 und 2,938 betrugen verglichen mit den Werten von 7,623 u. 2,914 für das ß-Phasen Stickstoffsilicid (Fig. 2). where z was 1. The ceramic material also had a 30 crystal structure based on the β-phase of the nitrogen silicide but with a and c unit cell dimensions which were 7.648 and 2.938 compared to the values of 7.623 u. 2,914 for the β-phase nitrogen silicide (Fig. 2).

Bei der Verwendung des Gemisches des obenerwähnten 35 Beispieles mit den Verunreinigungen in den Ausgangsmaterialien, bestand das Gemisch bei der erhöhten Temperatur während der Reaktion gänzlich aus einer reaktionsfähigen Zusammensetzung mit 51,3 Mol.-% Stickstoffsilicid, 0,8 Mol.-% Tonerde, 32,2 MoI.-% Aluminiumnitrid und 15,7 Mol.-% 40 Kieselerde. Somit war in der reaktionsfähigen Zusammensetzung Kieselerde im erforderlichen Molverhältnis von 1:2 vorhanden mit einem Teil des Aluminiumnitrids (31,4 Mol.-%) während Tonerde im erforderlichen Molverhältnis von 1:1 mit dem Rest des Aluminiumnitrides (0,8 Mol.-%) 45 vorhanden war. Im Phasendiagramm der Fig. 1 ist der Bereich B schraffiert und definiert die Grenzen der verschiedenen möglichen Gemische von Tonerde, Aluminiumnitrid, Kieselerde und Stickstoffsilicid, welche beim Erhitzen gänzlich eine reaktionsfähige Zusammensetzung darstellen, in welcher Ton-50 erde, Kieselerde und Aluminiumnitrid im erforderlichen Molverhältnis vorhanden sind. Für die Zusammensetzung des Gemisches des obenerwähnten Beispieles wurden die Mengen der verschiedenen Ausgangsstoffe so berechnet, dass mit einer Toleranz für Verunreinigungen, die gesamte Komposition des 55 Gemisches (wie es im Punkt A angegeben ist) innerhalb der Grenzen, welche durch den rechteckigen Bereich B dargestellt sind lagen. When using the mixture of the above-mentioned example with the impurities in the starting materials, the mixture at the elevated temperature during the reaction consisted entirely of a reactive composition with 51.3 mol% nitrogen silicide, 0.8 mol% alumina, 32.2 mol% aluminum nitride and 15.7 mol% 40 silica. Thus, in the reactive composition, silica was present in the required molar ratio of 1: 2 with part of the aluminum nitride (31.4 mol%), while alumina in the required molar ratio of 1: 1 with the rest of the aluminum nitride (0.8 mol.- %) 45 was present. In the phase diagram of FIG. 1, area B is hatched and defines the limits of the various possible mixtures of alumina, aluminum nitride, silica and nitrogen silicide, which when heated represent an entirely reactive composition in which clay 50, silica and aluminum nitride in the required molar ratio available. For the composition of the mixture of the above-mentioned example, the amounts of the various starting materials were calculated so that, with a tolerance for impurities, the entire composition of the mixture (as indicated in point A) within the limits represented by the rectangular area B. are lay.

Es kann leicht berechnet werden, dass in der reaktionsfähigen Zusammensetzung, welche vom Gemisch des erwähn-60 ten Beispiels hergestellt worden ist, das Atomverhältnis von Silicium: Aluminium: Stickstoff: Sauerstoff 6-z:z; 8-z:z betrug, wobei z gleich 1 war. Somit waren Silicium, Aluminium, Stickstoff und Sauerstoff in der reaktionsfähigen Komposition in den erforderlichen Proportionen im resultierenden 65 keramischen Material vorhanden. Es ist jedoch leicht zu verstehen, dass andere Gemische verwendet werden können, welche bei der Warmpresstemperatur ganz aus einer reaktionsfähigen Zusammensetzung bestehen würden mit dem erfor It can easily be calculated that in the reactive composition made from the mixture of the example mentioned, the atomic ratio of silicon: aluminum: nitrogen: oxygen 6-z: z; 8-z: z was where z was 1. Thus, silicon, aluminum, nitrogen and oxygen were present in the reactive composition in the required proportions in the resulting ceramic material. However, it is easy to understand that other mixtures can be used which would consist entirely of a reactive composition at the hot pressing temperature with the requisite

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derlichen Atomverhältnis von Silicium, Aluminium, Stickstoff und Sauerstoff, wobei solche geeignete Gemische auf der Linie C in der Fig. 1 liegen. atomic ratio of silicon, aluminum, nitrogen and oxygen, such suitable mixtures being on line C in FIG. 1.

In einem zweiten Beispiel der Erfindung wurde ein keramisches Material gemäss der Formel: In a second example of the invention, a ceramic material according to the formula:

Sic-z Alj. N8_z Oz, Sic-z Alj. N8_z Oz,

hergestellt, wobei z gleich 2,1 war. Bei der Herstellung dieses keramischen Materials wurden die Ausgangsmaterialien des ersten Beispieles wieder verwendet, jedoch sie wurden in solchen Proportionen vermischt, dass das Ausgangsgemisch aus 30,88 Gew.-% Aluminiumnitrit, 50,44 Gew.-% Stickstoffsilicid, und 18,68 Gew.-% Kieselerde bestand. Mit den Verunreinigungen im Aluminiumnitrid und Stickstoffsilicid aus Ausgangsmaterialien, enthielt die Zusammensetzung des Gemisches 29,03 Gew.-% Aluminiumnitrid, 48,42 Gew.-% Stickstoffsilicid, 20,7 Gew.-% Kieselerde und 1,85 Gew.-% Tonerde, wobei die Zusammensetzung im Punkt D der Fig. 1 angegeben ist. Das Verfahren wurde dann wie im ersten Beispiel wiederholt und bei erhöhter Temperatur des Warmpressvorganges enthielt das Gemisch gesamthaft eine reaktionsfähige Zusammensetzung mit 50 Mol.-% Aluminiumnitrid, 24,35 Mol.-% Stickstoffsilicid, 24,35 Mol.-% Kieselerde und 1,3 Mol.-% Tonerde. Somit ist es ersichtlich, dass in der reaktionsfähigen Zusammensetzung Kieselerde in einem molaren Verhältnis 1:2 vorhanden war mit einem Teil des Aluminiumnitrids (48,7 Mol.-%), während Tonerde in einem molaren Verhältnis von 1:1 mit dem restlichen Aluminiumnitrid (1,3 Mol.-%) vorhanden war. Darüber hinaus kann rasch berechnet werden, dass das Atomverhältnis von Silicium: Aluminium: Stickstoff: Sauerstoff in der reaktionsfähigen Zusammensetzung 6-z:z:8-z:z betrug, wobei z 2,1 entsprach. Somit waren Silicium, Aluminium, Stickstoff und Sauerstoff in der reaktionsfähigen Zusammensetzung in den erforderlichen Proportionen für das herzustellende keramische Material vorhanden. Es hätten wiederum andere Gemische verwendet werden können, welche bei der Warmpresstemperatur aus einer reaktionsfähigen Zusammensetzung bestehen würden mit den erforderlichen Atomproportionen im keramischen Material dieses Beispiels, wobei die Linie E in der Fig. 1 die möglichen Zusammensetzungen für derartige Gemische darstellt. Aus der Fig. 2 kann man sehen, dass das keramische Material, welches durch das Verfahren des zweiten Beispiels erhalten worden ist a und c Einheitszellen-Dimensionen aufweist von 7,674 und 2,962. prepared, where z was 2.1. The starting materials of the first example were used again in the production of this ceramic material, but they were mixed in proportions such that the starting mixture of 30.88% by weight aluminum nitrite, 50.44% by weight nitrogen silicide, and 18.68% by weight .-% silica. With the impurities in aluminum nitride and nitrogen silicide from starting materials, the composition of the mixture contained 29.03% by weight aluminum nitride, 48.42% by weight nitrogen silicide, 20.7% by weight silica and 1.85% by weight alumina , the composition being indicated in point D of FIG. 1. The process was then repeated as in the first example and, at an elevated temperature of the hot pressing process, the mixture as a whole contained a reactive composition with 50 mol% aluminum nitride, 24.35 mol% nitrogen silicide, 24.35 mol% silica and 1, 3 mol% alumina. Thus, it can be seen that in the reactive composition, silica was present in a 1: 2 molar ratio with some of the aluminum nitride (48.7 mol%), while alumina was in a 1: 1 molar ratio with the remaining aluminum nitride ( 1.3 mol%) was present. In addition, it can be quickly calculated that the atomic ratio of silicon: aluminum: nitrogen: oxygen in the reactive composition was 6-z: z: 8-z: z, where z was 2.1. Thus, silicon, aluminum, nitrogen and oxygen were present in the reactive composition in the required proportions for the ceramic material to be produced. Again, other mixtures could have been used which would consist of a reactive composition at the hot pressing temperature with the required atomic proportions in the ceramic material of this example, line E in FIG. 1 representing the possible compositions for such mixtures. From Fig. 2 it can be seen that the ceramic material obtained by the method of the second example has a and c unit cell dimensions of 7.674 and 2.962.

In einem dritten erfindungsgemässen Beispiel wurde der Vorgang des ersten Beispiels wiederholt, aber in diesem Falle bestand das Ausgangsgemisch aus 43,98 Gew.-% Aluminiumnitrid, 27,65 Gew.-% Stickstoffsilicid und 28,37 Gew.-% Kieselerde. Mit den Verunreinigungen in den Ausgangsmaterialien betrug die Zusammensetzung des Gemisches 41,34 Gew.-% Aluminiumnitrid, 26,54 Gew.-% Stickstoffsilicid, 29,48 Gew.-% Kieselerde und 2,64 Gew.-% Tonerde, wobei dieses Gemisch im Punkt F in der Fig. 1 angegeben ist Bei der erhöhten Temperatur des Warmpressvorganges ergab das Gemisch eine reaktionsfähige Zusammensetzung bestehend aus ll,04Mol.-% Stickstoffsilicid, 58,80 Mol.-% Aluminiumnitrid, 28,64 MoI.-% Kieselerde und 1,52 Mol.-% Tonerde. Wie bei den vorangehenden Beispielen kann man auch hier sehen, dass das Aluminiumnitrid, Kieselerde und Tonerde genau in den erforderlichen Molarverhältnissen vorhanden sind, obwohl das Gemisch dieses Beispiels mit dem Atomverhältnis von Silicium: Aluminium: Stickstoff: Sauerstoff in der reaktionsfähigen Zusammensetzung 6-z:z:8-z:z entsprach, wobei z gleich 3 war. Wie zu erwarten war, haben die Komponenten der reaktionsfähigen Zusammensetzung miteinander reagiert bei einer erhöhten Temperatur der In a third example according to the invention, the procedure of the first example was repeated, but in this case the starting mixture consisted of 43.98% by weight aluminum nitride, 27.65% by weight nitrogen silicide and 28.37% by weight silica. With the impurities in the starting materials, the composition of the mixture was 41.34% by weight of aluminum nitride, 26.54% by weight of nitrogen silicide, 29.48% by weight of silica and 2.64% by weight of alumina, this mixture at point F in FIG. 1. At the elevated temperature of the hot pressing process, the mixture gave a reactive composition consisting of 11.4 mol% nitrogen silicide, 58.80 mol% aluminum nitride, 28.64 mol% silica and 1.52 mol% alumina. As with the previous examples, it can also be seen here that the aluminum nitride, silica and alumina are present in exactly the required molar ratios, although the mixture of this example with the atomic ratio of silicon: aluminum: nitrogen: oxygen in the reactive composition 6-z: z: 8-z: corresponded to z, where z was 3. As expected, the components of the reactive composition reacted with each other at an elevated temperature

Warmpressreaktion um ein keramisches Material herzustellen, welches der Formel mit z gleich 3 entsprach. Hot press reaction to produce a ceramic material that corresponded to the formula with z equal to 3.

Die Fig. 2 zeigt, dass a und c Einheitszellendimensionen des keramischen Materials 7,70 bzw. 2,986 waren. In einem vierten Beispiel wurde das Verfahren wieder durchgeführt aber in diesem Fall bestand das Ausgangsgemisch aus 48,33 Gew.-% Aluminiumnitrid, 20,12 Gew.-% Stickstoffsilicid und 31,55 Gew.-% Kieselerde. Mit den in Betracht gezogenen Verunreinigungen in den Ausgangsmaterialien entsprach die Zusammensetzung des Gemisches 45,34 Gew.-% Aluminiumnitrid, 19,31 Gew.-% Stickstoffsilicid, 32,36 Gew.-% Kieselerde und 2,90 Gew.-% Tonerde, wobei dieses Gemisch mit dem Punkt G in der Fig. 1 angegeben ist. Es kann schnell berechnet werden^ dass bei der erhöhten Temperatur des Warmpressvorganges dieses Gemisch gänzlich aus einer reaktionsfähigen Zusammensetzung bestand, in welcher Kieselerde in einem molaren Verhältnis von 1:2 mit einem Teil des Aluminiumnitrids, während Tonerde im einem molaren Verhältnis von 1:1 mit dem Rest des Aluminiumnitrids vorhanden war. Darüber hinaus betrug das Atomverhältnis in dieser Zusammensetzung von Silicium: Aluminium: Stickstoff: Sauerstoff 6-z:z:8-z:z wobei z 3,3 entsprach. Wie erwartet bestand die keramische Phase des Produktes der Warmpressreaktion im wesentlichen gänzlich aus einer einkristallinen Phase keramischen Materials entsprechend der Formel mit z gleich 3,3. Wie in der Fig. 2 dargestellt, entsprachen die a und c Einheitszellendimensionen des keramischen Materials 7.703 bezüglich 2,991. Figure 2 shows that a and c were unit cell dimensions of the ceramic material 7.70 and 2.986, respectively. In a fourth example, the process was carried out again, but in this case the starting mixture consisted of 48.33% by weight of aluminum nitride, 20.12% by weight of nitrogen silicide and 31.55% by weight of silica. With the impurities considered in the starting materials, the composition of the mixture corresponded to 45.34% by weight of aluminum nitride, 19.31% by weight of nitrogen silicide, 32.36% by weight of silica and 2.90% by weight of alumina, this mixture being indicated by point G in FIG. 1. It can be quickly calculated that at the elevated temperature of the hot pressing process this mixture consisted entirely of a reactive composition, in which silica in a molar ratio of 1: 2 with some of the aluminum nitride, while alumina in a molar ratio of 1: 1 with the rest of the aluminum nitride was present. In addition, the atomic ratio in this composition of silicon: aluminum: nitrogen: oxygen was 6-z: z: 8-z: z where z was 3.3. As expected, the ceramic phase of the hot press reaction product consisted essentially of a single crystal phase of ceramic material according to the formula with z equal to 3.3. As shown in FIG. 2, the a and c unit cell dimensions of the ceramic material corresponded to 7,703 with respect to 2,991.

In einem fünften Beispiel wurden die verwendeten Ausgangsmaterialien mit Tonerdepulver vermischt, wie es von der Aluminium Company of America als «Typ XV16» geliefert wird, um ein Gemisch mit 60,6 Gew.-% Stickstoffsilicid, 20,3 Gew.-% Aluminiumnitrid, 7,9 Gew.-% Kieselerde und 11,2 Gew.-% Tonerde herzustellen. Mit den Verunreinigungen in den Ausgangsmaterialien bestand die gegenwärtige Zusammensetzung des Gemisches aus 58,18 Gew.-% Stickstoffsilicid, 19,08 Gew.-% Aluminiumnitrid, 10,32 Gew.-% Kieselerde und 12,42 Gew.-% Tonerde. Dieses Gemisch ist im Punkt H der Fig. 1 dargestellt. Das Gemisch wurde zubereitet und warmgepresst wie in den vorangehenden Beispielen beschrieben ist und bei der Warmpresstemperatur bestand das Gemisch gänzlich aus einer reaktionsfähigen Zusammensetzung mit den erforderlichen molaren Verhältnissen von Aluminiumnitrid, Kieselerde und Tonerde, Darüber hinaus kann es gezeigt werden, dass die reaktionsfähige Zusammensetzung das Atomverhältnis von Silicium: Aluminium: Stickstoff: Sauerstoff 6-z:z:8-z:z entsprach, wobei z gleich 2 war, wiederum entsprach das resultierende keramische Material der Formel mit z = 2. In a fifth example, the starting materials used were mixed with alumina powder, as supplied by the Aluminum Company of America as "Type XV16", to form a mixture with 60.6% by weight nitrogen silicide, 20.3% by weight aluminum nitride, 7.9 wt .-% silica and 11.2 wt .-% alumina. With the contaminants in the starting materials, the current composition of the mixture consisted of 58.18 wt% nitrogen silicide, 19.08 wt% aluminum nitride, 10.32 wt% silica and 12.42 wt% alumina. This mixture is shown in point H of FIG. 1. The mixture was prepared and hot pressed as described in the previous examples and at the hot pressing temperature the mixture consisted entirely of a reactive composition with the required molar ratios of aluminum nitride, silica and alumina. In addition, the reactive composition can be shown to be the atomic ratio of silicon: aluminum: nitrogen: oxygen 6-z: z: 8-z: z corresponded, where z was 2, again the resulting ceramic material corresponded to the formula with z = 2.

In einer Modifikation des fünften Beispiels entsprechend der Formel z = 2 wurde ein keramisches Material hergestellt aus den gleichen Ausgangsmaterialien, obwohl in diesem Falle das Ausgangsgemisch 64,75 Gew.-% des Stickstoffsilicids, 15,35 Gew.-% des Aluminiumnitrids, 2,65 Gew.-% der Kieselerde und 17,25 Gew.-% Tonerde enthielt. Mit den Verunreinigungen in den Ausgangsmaterialien ist diese Zusammensetzung in I in der Fig. 1 dargestellt. In a modification of the fifth example according to the formula z = 2, a ceramic material was produced from the same starting materials, although in this case the starting mixture was 64.75% by weight of the nitrogen silicide, 15.35% by weight of the aluminum nitride, 2, Contained 65% by weight of the silica and 17.25% by weight of alumina. With the impurities in the starting materials, this composition is shown in I in FIG. 1.

Das Verfahren der obenerwähnten Beispiele kann auch mit Ausgangsgemischen bestehend aus Kieselerde, Tonerde und Aluminiumnitrid durchgeführt werden, man hat jedoch gefunden, dass bei der Verwendung solcher Gemische wo Stickstoffsilicid nicht vorhanden war, das Warmpressen reaktionsfähige Zusammensetzungen lieferte, welche Silicium, Aluminium, Stickstoff und Sauerstoff in den erforderlichen Proportionen enthalten, um das gegebene Atomverhältnis zu erfüllen, jedoch mit einem z Wert grösser als 4. Somit weisen keramische Materialien, welche aus Mischungen bestehen, wo kein Stickstoffsilicid vorhanden ist immer einen z Wert von The process of the above-mentioned examples can also be carried out with starting mixtures consisting of silica, alumina and aluminum nitride, but it has been found that when using such mixtures where nitrogen silicide was not present, the hot pressing provided reactive compositions which were silicon, aluminum, nitrogen and oxygen contained in the proportions required to meet the given atomic ratio, but with a z value greater than 4. Thus, ceramic materials which consist of mixtures where there is no nitrogen silicide always have a z value of

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

über 4 in der genannten Formel auf. Der Grund dafür kann leicht eingesehen werden mit Hilfe der Linie J in der Fig. 1. Die Gemische welche Zusammensetzungen aufweisen, welche auf dieser Linie liegen, weisen Silicium, Aluminium, Stickstoff, Sauerstoff auf in den erforderlichen Atomverhältnissen, um ein keramisches Material herzustellen entsprechend der oben gegebenen Formel wenn z = 4 ist. Man erkennt, dass die Linie J durch die Aluminiumnitrid/Kieselerdeachse geht, welche der Situation entspricht, wo kein Stickstoffsilicid vorhanden ist. Darüber hinaus ist es verständlich, dass wie der Stickstoffsilicidgehalt des Gemisches innerhalb des schraffierten Bereiches B abnimmt, dann haben die keramischen Materialien, welche aus diesen Gemischen erhalten werden einen erhöhten z Wert in der obenerwähnten Formel. Wenn ein Gemisch auf dem dreieckigen Bereich definiert zwischen AIN, aAl203 und Si02 Spitzen liegt, wobei dieser Bereich selbstverständlich einem Nullgehalt an Si3N4 entspricht, dann entsteht notwendigerweise ein keramisches Material mit einem z Wert über 4. over 4 in the above formula. The reason for this can easily be seen with the help of line J in FIG. 1. The mixtures which have compositions which lie on this line have silicon, aluminum, nitrogen, oxygen in the atomic ratios required in order to produce a ceramic material accordingly the formula given above when z = 4. It can be seen that line J goes through the aluminum nitride / silica axis, which corresponds to the situation where there is no nitrogen silicide. Furthermore, it is understood that as the nitrogen silicide content of the mixture decreases within the hatched area B, the ceramic materials obtained from these mixtures have an increased z value in the above-mentioned formula. If a mixture is defined on the triangular area between AIN, aAl203 and Si02 peaks, which area naturally corresponds to a zero content of Si3N4, then a ceramic material with a z value above 4 necessarily results.

Um die Wirkung des Fehlens von Stickstoffsilicid in einem sechsten Beispiel darzustellen, hat man die Ausgangsmaterialien der vorangehenden Beispiele verwendet, um ein Gemisch bestehend aus 51,45 Gew.-% Aluminiumnitrid, 19,18 Gew.-% Tonerde und 29,37 Gew.-% Kieselerde verwendet. Somit wiesen die Ausgangsmaterialien unter Berücksichtigung der Verunreinigungen eine Zusammensetzung des Gemisches auf, mit 48,75 Gew.-% (62,78 Mol.-%) Aluminiumnitrid, 21,73 Gew.-% (11,25 MoI.-%) Tonerde und 29,52 Gew.-% (25,97 Mol.-%) Kieselerde. Das Gemisch wurde nach dem gleichen Verfahren in den vorangehenden Beispielen behandelt und wurde warmgepresst bei 1850°C, bei welcher Temperatur das Gemisch aus mehr als 95 Gew.-% einer reaktionsfähigen Zusammensetzung bestand, in welcher Kieselerde in einem Molverhältnis von 1:2 mit einem Teil des Aluminiumnitrids vorhanden war und Tonerde in einem molaren Verhältnis von 1:1 mit dem Rest des Aluminiumnitrids vorhanden war. Bei der Warmpresstemperatur reagierten die Bestandteile der reaktionsfähigen Zusammensetzung miteinander um ein keramisches Material entsprechend der Formel zu bilden mit einem z Wert = 4,6. Die a und c Einheitszellendimensionen des keramischen Materials betrugen 7,745A° und 3,012A°. In order to demonstrate the effect of the lack of nitrogen silicide in a sixth example, the starting materials of the preceding examples were used to produce a mixture consisting of 51.45% by weight aluminum nitride, 19.18% by weight alumina and 29.37% by weight. -% silica used. Thus, taking into account the impurities, the starting materials had a composition of the mixture with 48.75% by weight (62.78 mol%) aluminum nitride, 21.73% by weight (11.25 mol%) alumina and 29.52% by weight (25.97 mol%) of silica. The mixture was treated according to the same procedure in the preceding examples and was hot pressed at 1850 ° C, at which temperature the mixture consisted of more than 95% by weight of a reactive composition, in which silica in a molar ratio of 1: 2 with a Part of the aluminum nitride was present and alumina was present in a 1: 1 molar ratio with the rest of the aluminum nitride. At the hot pressing temperature, the components of the reactive composition reacted with one another to form a ceramic material according to the formula with a z value = 4.6. The a and c unit cell dimensions of the ceramic material were 7.745A ° and 3.012A °.

Es ist selbstverständlich, das keramische Materialien mit einem z Wert von über 4 auch als Ausgangsgemischen welche Stickstoffsilicid enthalten hergestellt werden können. So wird It goes without saying that ceramic materials with a z value of over 4 can also be produced as starting mixtures which contain nitrogen silicide. So will

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im siebten Beispiel ein keramisches Material mit einem z Wert von 4,6 hergestellt durch Warmpressen bei 1850°C wobei das Ausgangsgemisch aus 10,19 Gew.-% Kieselerde, 40,77 Gew.-% Tonerde, 33,98 Gew.-% Aluminiumnitrid und 15,06 Gew.-% Stickstoffsilicid bestand. Alle Ausgangsmaterialien entsprechen denjenigen, die im fünften Beispiel verwendet worden sind. Zusammen mit den Verunreinigungen in den Ausgangsmaterialien, besteht das Gemisch 12,15 Mol.-% Kieselerde, 28,36 Mol.-% Tonerde, 52,46 Mol.-% Aluminiumnitrid und 7,03 Mol.-% Stickstoffsilicid. Aus diesen Ziffern kann schnell berechnet werden, dass das Gemisch bei der Warmpresstemperatur über 95 Gew.-% einer reaktionsfähigen Zusammensetzung aufweist, in welcher Kieselerde, Tonerde und Aluminiumnitrid in den erforderlichen molaren Proportionen vorhanden waren. Das resultierende keramische Material hatte die gleichen a und c Einheitszellendimensionen wie das Material des vorangehenden Beispiels. in the seventh example a ceramic material with a z value of 4.6 produced by hot pressing at 1850 ° C., the starting mixture consisting of 10.19% by weight of silica, 40.77% by weight of alumina, 33.98% by weight Aluminum nitride and 15.06% by weight nitrogen silicide. All of the starting materials correspond to those used in the fifth example. Together with the impurities in the starting materials, the mixture consists of 12.15 mol% silica, 28.36 mol% alumina, 52.46 mol% aluminum nitride and 7.03 mol% nitrogen silicide. From these numbers it can be quickly calculated that the mixture at the hot pressing temperature has over 95% by weight of a reactive composition in which silica, alumina and aluminum nitride were present in the required molar proportions. The resulting ceramic material had the same a and c unit cell dimensions as the material of the previous example.

In jedem der oben beschriebenen Beispiele bewirkte Warmpressen des Ausgangsgemisches eine reaktionsfähige Zusammensetzung, welche nicht nur die erforderlichen molaren Verhältnisse des Aluminiumnitrids, Tonerde und Kieselerde aufwies, sondern auch das gesamte Volumen des Ausgangsgemisches hatte. In each of the examples described above, hot pressing the starting mixture resulted in a reactive composition which not only had the required molar ratios of aluminum nitride, alumina and silica, but also had the entire volume of the starting mixture.

Es ist verständlich, dass bei der Durchführung des erfin-dungsgemässen Verfahrens das Sintern der Ausgangsmaterialien bei oder über 1200°C durchgeführt werden sollte, da unter dieser Temperatur wenig oder überhaupt keine Reaktion stattfindet zur Herstellung des erforderlichen keramischen Materials. Die Sintertemperatur sollte jedoch nicht über 2000°C liegen, da über dieser Temperatur mindestens einige der Proben eine Tendenz zur Zersetzung aufweisen. Die optimale Temperatur liegt normalerweise zwischen 1500°C und 1800°C da dies eine vernünftige Reaktionsgeschwindigkeit ohne grosse Gewichtsverluste bringt. Wenn es jedoch erforderlich ist keramische Materialien mit einem z Wert in der Nähe von 5 in der obenerwähnten Formel herzustellen, sollte das Sintern bei einer Temperatur stattfinden, die über dem optimalen Bereich liegt, so dass die feste Löslichkeit erhöht wird. Aus diesem Grunde ist bei der Herstellung eines Materials mit hohem z Wert im sechsten und siebten Beispiel die Warmpressung bei 1850°C durchgeführt worden. It is understandable that when the process according to the invention is carried out, the sintering of the starting materials should be carried out at or above 1200 ° C., since little or no reaction takes place at this temperature in order to produce the required ceramic material. However, the sintering temperature should not be above 2000 ° C, since at least some of the samples have a tendency to decompose above this temperature. The optimal temperature is usually between 1500 ° C and 1800 ° C because this brings a reasonable reaction speed without great weight loss. However, when it is necessary to manufacture ceramic materials having a z value close to 5 in the above-mentioned formula, the sintering should take place at a temperature which is above the optimal range, so that the solid solubility is increased. For this reason, in the production of a material with a high z value in the sixth and seventh examples, the hot pressing was carried out at 1850 ° C.

Es ist zu bemerken, dass obwohl in den obenerwähnten Beispielen die Aufheizung von Druckanwendung begleitet war, dass dieser Schritt auch ohne Druckanwendung durchgeführt werden kann. It should be noted that although in the above examples the heating was accompanied by the application of pressure, this step can also be carried out without the application of pressure.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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2nd

PATENT CLAIMS

1. A process for producing a ceramic material, wherein a mixture is heated to a temperature between 1200 ° C and 2000 ° C, either exclusively from up to 98 wt .-% nitrogen silicide 1 to 60 wt .-% aluminum nitride 0.5 to 50% by weight of silica consists of 0.05 to 60% by weight of alumina,

some or all of the silica being present in the mixture as an impurity of the nitrogen silicide, or exclusively

40 to 60% by weight aluminum nitride 15 to 45% by weight silica 0.05 to 50% by weight alumina,

characterized in that the silica is present in a 1: 2 molecular ratio with a portion of the aluminum nitride and that alumina is in a 1: 1 molecular ratio with the rest of the aluminum nitride, the components of the mixture reacting together to to form the required ceramic material and that in the absence of nitrogen silicide the atomic ratio of silicon: aluminum: nitrogen: oxygen corresponds to 6-z: z: 8-z: z, where z is greater than 4 and less than or equal to 5.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the presence of nitrogen silicide, the atomic ratio of silicon: aluminum: nitrogen: oxygen corresponds to 6-z: z: 8-z: z, where z is greater than zero and less than or equal to 5 .

3. The method according to claim 1, characterized in that at least part of the alumina is present in the mixture at the temperature mentioned as an impurity of the aluminum nitride.

4. The method according to claim 1, characterized in that a pressure is applied to the mixture during heating.

5. A process for producing a ceramic material, wherein a mixture is heated to a temperature between 1200 ° C and 2000 °, which contains a first component which makes up at least 95 wt .-% of the mixture and either exclusively up to 98 wt. -% nitrogen silicide 1 to 60% by weight aluminum nitride 0.5 to 50% by weight silica 0.05 to 60% by weight alumina,

some, but not all, of the silica being present in the mixture as an impurity of the nitrogen silicide, or exclusively

characterized in that there is a second component in the mixture at said temperature, which is molten glass in the form of a boron or iron silicate glass, a manganese glass or lithium glass, and that silica is present in the first component in a molecular ratio of 1: 2 with a portion of aluminum nitride, and alumina is present in a molecular ratio of 1: 1 with the rest of the aluminum nitride, the

Components of the first component react with one another at the temperature mentioned to produce the ceramic material and that, in the absence of nitrogen silicide, the atomic ratio of silicon: aluminum: nitrogen: s corresponds to oxygen 6-z: z: 8-z: z, where z is greater is less than 4 and less than or equal to 5.

6. The method according to claim 5, characterized in that in the presence of nitrogen silicide, the atomic ratio silicon: aluminum: nitrogen: oxygen is 6-z: z: 8-z: z io, where z is greater than zero and less than or equal to 5 .

7. Ceramic material produced by the method according to claim 1.

8. Ceramic material produced by the method 15 according to claim 5.