DE102005003197B4

DE102005003197B4 - Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus reaktionsgebundenem, mit Silicium infiltriertem Siliciumcarbid und so hergestellter Formkörper

Info

Publication number: DE102005003197B4
Application number: DE200510003197
Authority: DE
Inventors: Detlef Brands; Arthur Dr.-Ing. Lynen; Joachim Schwauna
Original assignee: Schunk Ingenieurkeramik GmbH
Current assignee: Schunk Ingenieurkeramik GmbH
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: DE102005003197A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus reaktionsgebundenem, mit Silicium infiltriertem Siliciumcarbid, wobei ein Schlicker aus feinkörnigem Siliciumcarbid, kolloidalem Kohlenstoff, Hilfsstoffen und einem flüssigen Medium hergestellt, geformt und in Kontakt mit flüssigem oder gasförmigem Silicium erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlicker zusammen mit einem textilen Stoff (4) aus einem Fasermaterial, das einen Kohlenstoffrückstand von höchstens 50% nach Pyrolyse aufweist, lagenweise geformt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus reaktionsgebundenem, mit Silicium infiltriertem Siliciumcarbid nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus DE 42 43 864 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus reaktionsgebundenem, mit Silicium infiltriertem Siliciumcarbid bekannt, bei dem ein entsprechender Schlicker hergestellt und zur Bildung eines Grünkörpers in eine Form gegossen wird. Der Grünkörper wird dann getrocknet und nach dem Trocknen in Kontakt mit flüssigem oder gasförmigem Silicium erhitzt.
Dieses Gießverfahren ist jedoch sehr aufwendig oder daher nicht anwendbar, wenn große Formkörper, Formkörper mit Hinterschneidungen oder Formkörper mit sehr unterschiedlichen Wandstärkebereichen hergestellt werden sollen. Deshalb wurde beispielsweise zur Herstellung von großen Formkörpern, beispielsweise großen Rohrschlagen, bzw. zum Verbinden von Formkörpern, beispielweise von Rohrabschnitten, versucht, diese unter Zuhilfenahme von Glaslot, das eine geringere Temperaturbeständigkeit als SiSiC aufweist, aneinander zu fügen. Dies ist jedoch einerseits aufwendig, andererseits können sich Probleme aufgrund der unterschiedlichen Materialien und der damit verbundenen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben.
Ferner ist es aus EP 1 284 251 A1 bekannt, ein poröses und dementsprechend leichtgewichtiges sowie strukturiertes Keramikmaterial auf der Basis von Siliciumcarbid herzustellen, bei dem ein Gerüst mit einer porösen Struktur wie Wellpappe oder Gewebe mit einem Schlicker aus einem Harz als Kohlenstoffquelle und pulverförmigem Silicium getränkt, zum Reagieren mit dem Silicium carbonisiert sowie anschließend flüssiges Silicium infiltriert wird, um die bei der Reaktion des Siliciums mit dem Kohlenstoff gebildeten Poren zu schließen, aber die Struktur des Gerüsts, d.h. etwa die Struktur der Wellpappe oder des Gewebes, zu erhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, daß es ermöglicht, Formkörper oder daran angefügte Teile frei formend herzustellen.
Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, daß beim Herstellen von Formkörpern aus reaktionsgebundenem, mit Silicium infiltriertem Siliciumcarbid, wobei ein Schlicker aus feinkörnigem Siliciumcarbid, kolloidalem Kohlenstoff, Hilfsstoffen und einem flüssigen Medium hergestellt, geformt und in Kontakt mit flüssigem bzw. gasförmigem Silicium erhitzt wird, der Schlicker zusammen mit einem saugfähigen, textilen Stoff aus einem Fasermaterial, das einen Kohlenstoffrückstand von höchstens etwa 50% nach Pyrolyse aufweist, lagenweise geformt wird, lassen sich Formkörper frei formen bzw. Teile hiervon anformen oder Formkörper miteinander verbinden. Hierbei verhindert der textile Stoff ein Abbröseln des trocknenden und dabei schrumpfenden Schlickers. Beim späteren Erhitzen des Formkörpers auf ca. 1400°C–1750°C mit dem Ziel, diesen in reaktionsgebundenes, mit Silicium infiltriertes Siliciumcarbids zu überführen, tritt Pyrolyse ein, wodurch sich ein Kohlenstoffrückstand von höchstens 50% des Fasermaterials ergibt, wobei dieser mit infiltriertem Silicium zu Siliciumcarbid reagiert bzw. verbliebene Poren durch Silicium aufgefüllt werden. Dadurch ergibt sich ein einheitlicher reaktionsgebundener, mit Silicium infiltrierten Siliciumcarbidkörper, freier Kohlenstoff bleibt nach der Pyrolyse und der Reaktion mit infiltriertem Silicium nicht übrig.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt im Schnitt die Herstellung einer Rohrverbindung.
2 zeigt ausschnittweise ein Schliffbild einer entsprechend 1 hergestellten Rohrverbindung in der Grenzfläche zwischen Rohr und Bandage.
Um zwei Körper 1a, 1b in Form von Formkörpern aus reaktionsgebundenem, mit Silicium infiltriertem Siliciumcarbid, bei denen es sich beispielsweise, wie in 1 dargestellt, um Rohrabschnitte handeln kann, miteinander hitzebeständig zu verbinden, werden die beiden Körper 1a, 1b miteinander an der Stoßstelle durch einen Kleber 2, etwa ein Epoxidharz (in 1 übertrieben dick dargestellt, in Wirklichkeit handelt es sich um eine Schicht von sehr geringer, beispielsweise etwa 0,1 mm Dicke), temporär miteinander verbunden.
Danach wird um die Stoßstelle zwischen den beiden Körpern 1a, 1b eine Bandage 3 angebracht. Dazu wird zunächst eine Schicht eines vorher hergestellten Schlickers aus feinkörnigem Siliciumcarbid, kolloidalem Kohlenstoff, Hilfsstoffen und einem flüssigen Medium, insbesondere Wasser, aufgetragen, anschließend eine Lage eines textilen Stoffs 4, etwa eines Gewebes, Gewirkes oder Vlieses, aus einem Fasermaterial, das einen Kohlenstoffrückstand von höchstens etwa 50% nach Pyrolyse aufweist, aufgebracht, die wiederum mit dem Schlicker imprägniert wird, worauf eine weitere Lage des Stoffs 4 folgt, etc., bis die vorgesehene Bandagendicke erreicht ist.
Der textile Stoff 4 kann dabei aus mehreren einzelnen Stücken mit einer Länge etwa entsprechend dem Umfang der Bandage 3 oder einstückig und von entsprechender Länge zur Bildung der gesamten Bandage 3 sein.
Der Stoff 4 kann auch vor dem Auftragen mit dem Schlicker imprägniert werden, wenn dessen Konsistenz im wesentlichen pastenförmig ist, oder beim Aufbringen des Stoffs 4 aufgesprüht werden.
Der Stoff 4 besteht vorzugsweise aus einem Fasermaterial, das einen Kohlenstoffrückstand von etwa 20% bis etwa 50% nach Pyrolyse aufweist. Cellulosefasern wie Fasern aus Baumwolle (zweckmäßigerweise entfettet), Viskose, regenerierter Cellulose, Celluloseacetat, gegebenenfalls in Mischung mit Chemiefasern wie Nylon, werden hier bevorzugt. Bevorzugt ist ferner ein saugfähiges, relativ weitmaschiges Gewebe oder Gewirke wie etwa Mull.
Nachdem die Bandage 3 insoweit vorbereitet ist, läßt man sie trocknen. Hierbei halten die Fasern des Stoffs 4 den trocknenden und dabei schrumpfenden Schlicker zusammen, so daß dieser nicht abbröselt. Hierbei ist vorteilhaft, wenn die Fasern ebenfalls schrumpfen, wie es beispielsweise bei Cellulosefasern der Fall ist.
Anschließend erfolgt ein Erhitzen auf beispielsweise eine Temperatur > ca. 1400°C–1750°C, wobei die Fasern des Stoffs 4 einer Pyrolyse unterliegen, so daß sich ein entsprechender Kohlenstoffrückstand ergibt. In die vorhandenen und durch Pyrolyse gebildeten Poren der Bandage 3 infiltriert man gasförmiges oder flüssiges Silicium, das mit dem Kohlenstoffrückstand der Fasern und natürlich mit dem über den Schlicker eingebrachten kolloidalen Kohlenstoff zu Siliciumcarbid reagiert, so daß sich eine reaktionsgebundene, mit Silicium infiltrierte Bandage 3 aus Siliciumcarbid ergibt, die einstückig mit den Körpern 1a, 1b verbunden ist. – Der Kleber 2 unterliegt ebenfalls der Pyrolyse, wobei in den Bereich hiervon Silicium infiltriert wird, so daß auch diese Stelle bezüglich des Materials einheitlich mit dem übrigen, gebildeten Gesamtformkörper ist.
2 zeigt ausschnittweise eine Schnittaufnahme einer entsprechend 1 hergestellten Verbindung von zwei Rohrabschnitten in der Grenzfläche zwischen dem rohrabschnittförmigen Körper 1a und der Bandage 3, wobei die Spur eines gewellt verlaufenden Kettfadens 5 des textilen Stoffs 4 ebenso wie die Spuren einer Vielzahl von Fasern der Schußfäden in den Tälern und unter den Bergen des Kettfadens 5 zu erkennen sind, die natürlich siliciert sind.
Anstelle der beiden miteinander durch einen Kleber 2 verbundenen Körper 1a, 1b kann auch ein später zu entfernender Konturgebungskörper zwecks Formgebung verwendet werden, um einen Formkörper mit irgendeiner geometrischen oder frei geformten Oberfläche zu bilden, der dann entsprechend getrocknet und nach Entfernen des Konturgebungskörpers zu einem Keramikkörper gebrannt wird.
Anstatt zwei Körper 1a, 1b miteinander zu verbinden, kann auch ein einzelner, beispielsweise durch Gießen hergestellter Formkörper mit zusätzlichen Körperabschnitten versehen werden, die sich beim Formen durch Gießen infolge Entformungsproblemen nicht herstellen lassen.
Zur Herstellung des Schlickers verwendet man zweckmäßigerweise Siliciumcarbid in einem Anteil von mindestens 70 Gew.-%, kolloidalen Kohlenstoff in einem Anteil von 5 bis 15 Gew.-% und Wasser in einem Anteil von weniger als 25 Gew.-%. Hierbei hat das Siliciumcarbid vorzugsweise eine maximale Korngröße von höchstens etwa 50 μm, ferner ist hierbei eine im wesentlichen lückenlosen Korngrößenverteilung (vgl. hierzu DE 42 43 864 C2 ) zweckmäßig. Kolloidaler Kohlenstoff wird vorzugsweise in einem Anteil von 8 bis 12 Gew.-% mit einer Partikelgröße < 3 μm verwendet.
Die Hilfsstoffe umfassen einen Binder, etwa ein Polysaccharid, und Verflüssiger, etwa ein Sulfonat zyklischer organischer Verbindungen, gegebenenfalls zusammen mit einem alkalischen Elektrolyten.
Beispiel:
Um ein U-förmiges Heizrohr herzustellen, werden zwei gerade Rohrabschnitte und ein Krümmer (Durchmesser 145 mm), jeweils aus reaktionsgebundenem, mit Silicium infiltriertem Siliciumcarbid, verwendet, die mittels Epoxidharz miteinander an den beiden Stoßstellen zu einer Einheit verklebt werden.
1100 g Schlicker werden hergestellt durch Quirlen aus:

entsalztem Wasser 264 g

Dispergiermittel 4,84 g

Ruß 104 g

Siliciumcarbid (< 50μm) 995 g

Konservierungsmittel 0,82 g

Binder (Polysaccharid) 3,3 g
Auf die Stoßstelle wird zunächst eine Schicht Schlicker aufgetragen, wonach eine Lage saugfähiges, offenporiges Baumwollgewebe in Form von Verbandsmullbinde nach DIN 61634-FB aufgebracht wird, die dann mit dem Schlicker getränkt wird, worauf eine neue Lage Baumwollgewebe aufgebracht wird, etc., um an jeder Stoßstelle eine Bandage zu erzeugen. Für jede Bandage wurden 300 g Schlicker entsprechend einem Feststoffanteil von etwa 250 g und 10 Lagen Baumwollgewebe verarbeitet. Anschließend wurde 2 Tage bei Umgebungstemperatur getrocknet. Danach wurde der so gebildete "grüne" Formkörper bei einer Temperatur von etwa 1500°C während einer Zeit von 2h erhitzt und flüssiges Silicium infiltriert. Danach ergibt sich Formkörper mit einem Schliffbild gemäß 2, in der Siliciumcarbid grau und Silicium weiß erscheint.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus reaktionsgebundenem, mit Silicium infiltriertem Siliciumcarbid, wobei ein Schlicker aus feinkörnigem Siliciumcarbid, kolloidalem Kohlenstoff, Hilfsstoffen und einem flüssigen Medium hergestellt, geformt und in Kontakt mit flüssigem oder gasförmigem Silicium erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlicker zusammen mit einem textilen Stoff (4) aus einem Fasermaterial, das einen Kohlenstoffrückstand von höchstens 50% nach Pyrolyse aufweist, lagenweise geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasermaterial ein solches verwendet wird, das einen Kohlenstoffrückstand von 20% bis 50% nach Pyrolyse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasermaterial Cellulosefasermaterial verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasermaterial Baumwolle verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der textile Stoff (4) mit dem Schlicker getränkt in mehreren Lagen auf einen Körper aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlicker abwechselnd mit dem textilen Stoff (4) in mehreren Lagen auf einen Körper aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Körper ein Formkörper aus einem Siliciumcarbidwerkstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Körper ein Formkörper aus reaktionsgebundenem, mit Silicium infiltriertem Siliciumcarbid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Körper ein Konturgebungskörper verwendet wird, der nach dem Trocknen des Schlickers entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper aus wenigstens zwei miteinander temporär verbundenen Formkörpern aus reaktionsgebundenem, mit Silicium infiltriertem Siliciumcarbid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Körper zwei temporär miteinander verbundene Rohrleitungsabschnitte verwendet werden, die an der Verbindungsstelle mit einer lagenweise geformten Bandage aus Schlicker und textilem Stoff versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schlicker Fasern aus einem Fasermaterial, das einen Kohlenstoffrückstand von höchstens 50% nach Pyrolyse aufweist, beigemischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Schlickers Siliciumcarbid in einem Anteil von mindestens 70 Gew.-%, kolloidaler Kohlenstoff in einem Anteil von 5 bis 15 Gew.-% und Wasser in einem Anteil von weniger als 25 Gew.-% verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine maximale Korngröße des Siliciumcarbids von höchstens 50 μm eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Siliciumcarbid mit einer im wesentlichen lückenlosen Korngrößenverteilung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß kolloidaler Kohlenstoff in einem Anteil von 8 bis 12 Gew.-% mit einer Partikelgröße < 3 μm verwendet wird.
Formkörper aus einem Siliciumcarbidwerkstoff mit durch infiltriertes Silicium gefüllten Poren, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16.