DE10392574T5 - Process for the preparation of reaction-bonded silicon carbide - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von reaktions-gebundenem Siliziumkarbid mit den Schritten:
Bereitstellen eines Siliziumzuführungskörpers mit vorbestimmter Form, welcher Siliziumpulver und Phenolharz, Furfurylalkoholharz oder Epoxidharz als Binder enthält;
Bereitstellen einer Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform;
Inkontaktbringen des Siliziumzuführungskörpers mit einer Oberfläche der Vorform in einem Reaktionsbindungsofen; und
Wärmebehandeln dieser mit einer höheren Temperatur als der Schmelztemperatur des Siliziums unter Vakuum oder Inertatmosphäre, damit geschmolzenes Silizium in dem Siliziumzuführungskörper in die Vorform infiltriert.
Process for producing reaction bonded silicon carbide comprising the steps of:
Providing a silicon feed body of a predetermined shape containing silicon powder and phenolic resin, furfuryl alcohol resin or epoxy resin as a binder;
Providing a silicon carbide / carbon preform;
Contacting the silicon delivery body with a surface of the preform in a reaction bonding furnace; and
Heat treating it at a temperature higher than the melting temperature of the silicon under vacuum or inert atmosphere to infiltrate molten silicon in the silicon feed body into the preform.

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Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von reaktions-gebundenem Siliziumkarbid, und insbesondere ein Verfahren zum gleichmäßigen Zuführen von geschmolzenem Silizium auf ein vollständig reaktions-gebundenes Siliziumkarbid.The The present invention relates to a process for the preparation of reaction-bonded silicon carbide, and more particularly a method for uniform feeding of molten silicon on a fully reaction-bonded silicon carbide.

Stand der TechnikState of the art

Reaktions-gebundenes oder reaktions-gesintertes Siliziumkarbid wird durch Infiltration von geschmolzenem Silizium in eine Siliziumkarbid und Kohlenstoff enthaltende Vorform hergestellt. Das infiltrierte geschmolzene Silizium wird mit Kohlenstoffpartikeln zur Reaktion gebracht, die in der als das Siliziumkarbid zu erzeugenden Vorform vorhanden sind, und das Siliziumkarbid fungiert als ein Bindemittel, um die Siliziumkarbidpartikel in der Vorform miteinander zu verbinden und Poren zwischen den Siliziumkarbidpartikeln mit dem Silizium aufzufüllen.Reaction bound or reaction-sintered silicon carbide is made by infiltration from molten silicon to a silicon carbide and carbon containing preform produced. The infiltrated molten silicon is reacted with carbon particles present in the as the silicon carbide to be produced preform are present, and The silicon carbide acts as a binder around the silicon carbide particles in the preform interconnect and pores between the silicon carbide particles to fill up with the silicon.

Ein Verfahren zum Zuführen von geschmolzenem Silizium zu einer Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform zur Herstellung eines reaktions-gebundenen Siliziumkarbids besteht in dem Eintauchen der Vorform in einen Schmelztiegel, in welchem das geschmolzene Silizium eingefüllt ist, und in dem Zuführen des geschmolzenen Siliziums zu der gesamten Vorform über ein Kapillarrohr der Vorform. Jedoch sind in diesem Falle eine Erwärmungsvorrichtung zum Schmelzen von Silizium, ein Schmelztiegel für die Aufnahme von geschmolzenem Silizium, eine Vorrichtung zum Zuführen von geschmolzenem Siliziums aus einem Schmelztiegel zu einem Probestück, usw. erforderlich, weshalb der Herstellungsprozeß komplex ist und die Kosten erhöht werden.One Method of feeding from molten silicon to a silicon carbide / carbon preform for Preparation of a reaction-bonded silicon carbide consists in immersing the preform in a crucible in which the filled with molten silicon is, and in the feeding of the molten silicon over the entire preform Capillary tube of the preform. However, in this case, a heating device for melting silicon, a crucible for receiving molten Silicon, a device for supplying molten silicon from a crucible to a specimen, etc. required, therefore the manufacturing process complex is and increases the cost become.

Im Falle einer einfach geformten Vorform kann ein geschmolzenes Silizium in ein Probestück durch Aufschichten von Siliziumpulverteilchen auf einen oberen Teil des Probestückes und Erhitzen der Pulverteilchen über den Schmelzpunkt von Silizium hinaus infiltriert werden. Bei diesem Verfahren werden Siliziumpulverteilchen bei einer höheren Temperatur als dem Schmelzpunkt geschmolzen, so daß sie aufgrund von Oberflächenspannung miteinander verklumpen. Ferner kann das geschmolzene Silizium, wenn es zu einer Masse verklumpt ist, nicht die gesamte Oberfläche, welcher das Silizium zugeführt werden sollte, überdecken, und in einigen Fällen kann der Klumpen aufgrund der Schwerkraft herunterfallen.in the In the case of a simply shaped preform, a molten silicon may be used in a test piece by stacking silicon powder particles on an upper part of the sample and heating the powder particles over infiltrating the melting point of silicon beyond. In this Process become silicon powder particles at a higher temperature melted as the melting point, so that they due to surface tension clump together. Furthermore, the molten silicon, if it is clumped to a mass, not the entire surface, which fed to the silicon should, cover, and in some cases The lump may fall down due to gravity.

Bei den vorgenannten herkömmlichen Verfahren zur Zuführung von Silizium geht, wenn geschmolzenes Silizium verklumpt, das Silizium weit von dem gewünschten Kontaktpunkt weg, und deshalb wird der Zuführungsabstand des geschmolzenen Siliziums vergrößert und die Infiltrationsfläche verringert. Zusätzlich sollte eine Siliziumquelle an einer konstanten Position an einem Probestück fixiert sein. Ferner besitzt geschmolzenes Silizium eine sehr große Oberflächenspannung und niedrige Viskosität. Es hat somit eine Tendenz zum Aneinanderkleben, so daß es seine Oberfläche reduziert. Je größer das Maß der Kohäsion wird, desto mehr beeinflußt die Schwerkraft diese. Die Kohäsion von geschmolzenem Silizium reduziert die Fläche, in welcher das Silizium infiltriert wird, und außerdem ist die Infiltration des Siliziums auf eine bestimmte Fläche beschränkt. Obwohl geschmolzenes Silizium für reaktions-gebundenes Siliziumkarbid wichtig ist, ist es schwierig, das geschmolzene Silizium gleichmäßig auf dem gesamten Probestück gemäß dem herkömmlichen Verfahren zuzuführen.at the aforementioned conventional Method of feeding of silicon, when molten silicon clumps, the silicon far from the desired one Contact point away, and therefore the feed distance of the molten Silicon magnified and the infiltration area reduced. additionally should a silicon source at a constant position on a specimen be fixed. Furthermore, molten silicon has a very large surface tension and low viscosity. It thus has a tendency to stick together, so that it is his surface reduced. The bigger that Measure of cohesion becomes, the more affected gravity this. The cohesion of molten silicon reduces the area in which the silicon is infiltrated, as well as the infiltration of silicon is limited to a certain area. Even though molten silicon for Reaction-bonded silicon carbide is important, it is difficult to evenly melted silicon the entire specimen according to the conventional Supply process.

Technischer Hauptpunkt der vorliegenden ErfindungMain technical point of the present invention

Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zur wirtschaftlichen Herstellung eines reaktions-gebundenen Siliziumkarbids.Therefore It is an object of the present invention to provide a process for the economical production of a reaction-bound Silicon carbide.

Ferner besteht eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Aufrechterhaltung einer maximalen Infiltrationsfläche, wenn das reaktions-gebundene Siliziumkarbid durch gleichmäßiges Schmelzen von Silizium und Verhindern einer Kohäsion des Siliziums aufgrund von Oberflächenspannung hergestellt wird.Further Another object of the present invention is to maintain a maximum infiltration area, when the reaction-bonded silicon carbide by uniform melting of silicon and preventing cohesion of silicon due of surface tension will be produced.

Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Reduzierung der Verarbeitungszeit unter Aufrechterhalten einer gleichmäßigen Infiltrationsgeschwindigkeit über der gesamten Oberfläche, indem eine gleichmäßige räumliche Verteilung des geschmolzenen Siliziums aufrechterhalten wird.Yet Another object of the present invention is to reduce the processing time while maintaining a uniform rate of infiltration over the entire surface, by having a uniform spatial Distribution of molten silicon is maintained.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description the invention

Zum Lösen der Aufgaben der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von reaktions-gebundenem Siliziumkarbid bereitgestellt, welches umfaßt: Bereitstellen eines Siliziumzuführungskörpers mit Siliziumpulverteilchen und einem aushärtbaren Harz als einen Binder; Bereitstellen einer Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform; in-Kontakt-bringen des Siliziumzuführungskörpers mit einer Oberfläche der Vorform in einem Ofen; und Erhitzen auf den Schmelzpunkt des Siliziums unter Vakuum oder Inertatmosphäre, um das geschmolzene Silizium in dem Siliziumzuführungskörper in die Vorform zu infiltrieren.To the Solve the Objects of the present invention is a process for the preparation provided by reaction bonded silicon carbide, which comprising: Providing a Siliziumzuführungskörpers with Silicon powder particles and a thermosetting resin as a binder; Providing a silicon carbide / carbon preform; in contacting the silicon supply body with a surface the preform in an oven; and heating to the melting point of Silicon under vacuum or inert atmosphere, around the molten silicon in the silicon feed body in to infiltrate the preform.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:It demonstrate:

1A bis 1D ein Verfahren zur Herstellung von reaktions-gebundenem Siliziumkarbid gemäß der vorliegenden Erfindung; 1A einen Zustand, bei dem ein Siliziumzuführungs-Probestück und eine Siliziumkarbid-Vorform in Kontakt gebracht sind; 1A to 1D a process for producing reaction-bonded silicon carbide according to the present invention; 1A a state in which a silicon feed coupon and a silicon carbide preform are brought into contact;

1B eine Ansicht, nach der kohlenstoffhaltige Partikel in dem Siliziumzuführungs-Probestück durch Wärmebehandlung erzeugt werden; 1B a view in which carbonaceous particles are produced in the silicon feed specimen by heat treatment;

1C eine Ansicht, nach der eine Siliziumkarbid-Rahmenstruktur in dem Siliziumzuführungs-Probestück durch die Wärmebehandlung erzeugt wird; 1C a view in which a silicon carbide frame structure is generated in the silicon supply specimen by the heat treatment;

1D ein endgültiges reaktions-gebundenes Siliziumkarbid, welchem das geschmolzene Silizium zugeführt wird; 1D a final reaction-bonded silicon carbide to which the molten silicon is supplied;

2A eine Feinstruktur der Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform; und 2A a fine structure of the silicon carbide / carbon preform; and

2B eine Feinstruktur einer Siliziumkarbidsinterung nach einer Reaktionsbindung darstellt. 2 B represents a fine structure of silicon carbide sintering after a reaction bond.

Ausführungsart der bevorzugten Ausführungsformen Gemäß der vorliegenden Erfindung kann geschmolzenes Silizium effektiv unabhängig von der Form, Größe und Dicke eines reaktions-gebundenen Siliziumkarbids zugeführt werden. Eine Kohäsion des geschmolzenen Siliziums kann verhindert und das geschmolzene Silizium gleichmäßig zugeführt werden.embodiment of the preferred embodiments According to the present Invention can effectively free molten silicon the shape, size and thickness a reaction-bonded silicon carbide are supplied. A cohesion of the molten silicon can be prevented and the molten silicon be supplied evenly.

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von reaktions-gebundenem Siliziumkarbid bereitgestellt, das die Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Siliziumzuführungskörpers mit einer vorbestimmten Form, der Siliziumpulver und ein aushärtbares Harz als Bindemittel enthält; Bereitstellen einer Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform; Inkontaktbringen des Siliziumzuführungskörpers mit einer Oberfläche der Vorform in einem Ofen; und Erhitzen auf den Schmelzpunkt des Siliziums unter Vakuum oder Inertatmosphäre, um geschmolzenes Silizium in dem Siliziumzuführungskörper in die Vorform zu infiltrieren.It there is provided a process for the production of reaction bonded silicon carbide, which includes the steps: Providing a Siliziumzuführungskörpers with a predetermined shape, the silicon powder and a curable Contains resin as a binder; Providing a silicon carbide / carbon preform; contacting of the silicon feed body with a surface the preform in an oven; and heating to the melting point of Silicon under vacuum or inert atmosphere, around molten silicon in the silicon feed body in to infiltrate the preform.

Der Silizium zuführende oder liefernde Körper, kurz Siliziumzuführungskörper genannt, wird hergestellt, indem ein Brei durch Mischen von 70 bis 99 Gewichtsprozent Siliziumpulver mit einer Teilgröße von 10 bis 5000 μm und 1 bis 10 Gewichtsprozent aushärtbarem Harz als Bindemittel in einem Lösungsmittel erzeugt wird, Körnchen oder ein Granulat durch Trocknen des Breis erzielt wird, und das Granulat in eine vorbestimmte Form geformt wird.Of the Silicon feeding or supplying bodies, called silicon feed body for short, is prepared by adding a slurry by mixing 70 to 99 weight percent Silicon powder with a part size of 10 to 5000 μm and 1 to 10% by weight curable resin as a binder in a solvent is produced, granules or a granule is achieved by drying the slurry, and the Granules are formed in a predetermined shape.

Das aushärtbare Harz, welches einen höheren Restkohlenstoffanteil; wie z.B. Phenolharz hat, wird als Bindemittel verwendet. Das Bindemittel kann ferner 1 bis 10 Gewichtsprozent thermoplastisches Harz, wie z.B. PVB (Polyvinylbutyral), enthalten, um dem Probestück eine Warmumwandlung zu verleihen. Wenn die Thermoplastizität dem Siliziumzuführungs-Probestück verliehen wird, indem das thermoplastische Harz mit dem wärmehärtenden Harz als Bindemittel zugesetzt wird, kann die reaktions-gebundene Vorform mit der gesamten unebenen Oberfläche der Infiltrationsoberfläche in Kontakt gebracht werden, selbst wenn die Infiltration uneben ausgebildet ist. Zusätzlich kann, wenn 1 bis 10 Gewichtsprozent Weichmacher zum Erhöhen der Warmumwandlung zugesetzt sind, das Zuführungsprobestück leicht gemäß der Form der Infiltrationsoberfläche selbst bei niedriger Temperatur umgewandelt werden.The curable Resin, which is a higher Residual carbon content; such as. Phenol resin has, is used as a binder used. The binder may further be 1 to 10% by weight thermoplastic resin, e.g. PVB (polyvinyl butyral), contained, around the specimen to give a warm conversion. When the thermoplasticity imparted to the silicon feed coupon is made by the thermoplastic resin with the thermosetting resin as a binder can be added, the reaction-bonded preform with the entire uneven surface the infiltration surface be contacted, even if the infiltration uneven is trained. additionally can when 1 to 10 weight percent plasticizer to increase the Warm conversion are added, the feed sample easily according to the form the infiltration surface itself be converted at low temperature.

Furfurylalkoholharz und Epoxidharz können als aushärtbares Harz neben Phenolharz verwendet werden. Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylacetat (PVRc), Polymethylmethacrylat (PMMA) usw. können als thermoplastische Harze neben dem PVB verwendet werden, und Dibutylphthalat (DBP), Benzyl-Butylphthalat (BBP), Polyethylenglykol (PEG), Dimethylphthalat (DMP), Di-Octylphthalat (DOP), Glyzerin usw. können als Weichmacher verwendet werden.Furfuryl alcohol resin and epoxy resin can be used as a curable resin besides phenolic resin. Polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate (PVRc), polymethyl methacrylate (PMMA), etc. can be used as thermo plastic resins besides the PVB can be used, and dibutyl phthalate (DBP), benzyl-butyl phthalate (BBP), polyethylene glycol (PEG), dimethyl phthalate (DMP), di-octyl phthalate (DOP), glycerin, etc. can be used as the plasticizer.

Das Bindemittel wird mit dem Silizium in dem Körper im Anfangszustand einer Reaktionsbindung zum Ausbilden einer Siliziumkarbidnetzstruktur zur Reaktion gebracht, wodurch eine Verklumpung des geschmolzenen Siliziums verhindert werden kann.The Binder becomes with the silicon in the body in the initial state of Reaction bond for forming a silicon carbide network structure reacted, causing a clumping of the molten Silicon can be prevented.

Der Siliziumzuführungskörper wird in dem Bereich von Raumtemperatur bis 120°C, und zwar abhängig davon, wie die Festigkeit des Zuführungskörpers gesteuert wird, erzeugt. Es ist erwünscht, daß der Prozeß für die Warmumwandlung innerhalb des Bereichs von 60 bis 120°C liegt. Wenn der Prozentsatz an Silizium in dem Siliziumzuführungskörper erhöht wird, tritt kaum eine Kontraktion aufgrund der Erwärmung aufgrund des Netzwerkes des Siliziumpulvers auf, und daher wird geschmolzenes Silizium auf der gesamten Fläche des mit der Siliziumkarbidvorform in Kontakt stehenden Siliziumzuführungskörpers infiltriert.Of the Silicon feed body is in the range of room temperature to 120 ° C, depending on how controlled the strength of the feeder body is generated. It is desirable that the Process for hot conversion within the range of 60 to 120 ° C. If the percentage is increased in silicon in the silicon supply body, Hardly any contraction occurs due to the heating due to the network of the silicon powder, and therefore molten silicon is formed the entire area of the silicon feed body in contact with the silicon carbide preform.

Es kann ein Siliziumzuführungskörper verwendet werden, welcher vollständig mit einer Siliziumkarbidvorform kombiniert ist, indem ein gemeinsamer Kleber verwendet wird. In Kontakt mit einem kompakten Körper aus Siliziumkarbid (Vorform) stehend wird ein Siliziumzuführungskörper innerhalb einer höheren Temperatur als der Schmelzpunkt des Siliziums, beispielsweise 1410 bis 1550°C, erwärmt, und das geschmolzene Silizium infiltriert in die Siliziumkarbidvorform, um das reaktions-gebundene Siliziumkarbid herzustellen.It For example, a silicon feed body may be used which is complete is combined with a silicon carbide preform by a common Glue is used. In contact with a compact body Silicon carbide (preform) standing, a silicon supply body within a higher one Temperature as the melting point of silicon, for example 1410 up to 1550 ° C, heated and the molten silicon infiltrates into the silicon carbide preform, to produce the reaction-bonded silicon carbide.

Siliziumpulverteilchen des Siliziumzuführungskörpers sind größer als die Siliziumkarbidpulverteilchen der reaktions-gebundenen Vorform. In der vorliegenden Erfindung wird der Unterschied zwischen den Partikeln des Siliziumpulvers und des Siliziumkarbidpulvers soweit wie möglich vergrößert, um die Infiltrationsgeschwindigkeit des geschmolzenen Siliziums zu beschleunigen, und um dadurch die Reaktionszeit stark zu verringern. Das Verhältnis zwischen dem Siliziumpulver und dem Siliziumkarbidpulver liegt geeigneterweise zwischen 5:1 bis 25:1.Siliziumpulverteilchen of the silicon feed body are larger than the silicon carbide powder particles of the reaction-bonded preform. In the present Invention will be the difference between the particles of the silicon powder and the silicon carbide powder increased as much as possible to the infiltration rate of the molten silicon to accelerate, and thereby the Greatly reduce reaction time. The ratio between the silicon powder and the silicon carbide powder is suitably between 5: 1 to 25: 1.

Hierin nachstehend werden das Herstellungsverfahren und die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.Here in Below are the manufacturing process and the properties of the present invention in more detail with reference to FIGS attached Figures described.

Granulat wird durch Mischen des Siliziumpulvers mit dem aushärtbaren Harz mit einer höheren Restkohlenstoffrate, wie z.B. bei Phenolharz, hergestellt, und der Siliziumzuführungskörper wird durch Plastifizierung des Granulats hergestellt. Der Siliziumzuführungskörper wird mit einer Stelle der Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform in Kontakt gebracht, welche, wie in 1A dargestellt, reaktions-gebunden werden soll. In 1A stellt der obere Teil den Siliziumzuführungskörper 10, und der untere Teil die Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform 20 dar. Der Siliziumzuführungskörper weist die Siliziumpartikel 11 und das wärmehärtende Harz 12 auf. Die Vorform wird aus den Siliziumkarbidpartikeln 21 und den Kohlenstoffpartikeln 22 hergestellt.Granules are prepared by mixing the silicon powder with the hardenable resin having a higher residual carbon content, such as phenolic resin, and the silicon supply body is made by plasticizing the granules. The silicon feed body is brought into contact with a location of the silicon carbide / carbon preform which, as in FIG 1A shown to be reaction-bound. In 1A the upper part represents the silicon supply body 10 , and the lower part of the silicon carbide / carbon preform 20 The silicon feed body has the silicon particles 11 and the thermosetting resin 12 on. The preform is made of the silicon carbide particles 21 and the carbon particles 22 produced.

Anschließend werden der Siliziumzuführungskörper und die Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform in einem Reaktionssinterofen unter Vakuum oder in einer Inertatmosphäre derart wärmebehandelt, daß wenigstens eine ihrer Oberflächen in Kontakt steht. Das aushärtbare Harz wird in dem Temperaturbereich von 400 bis 500°C während der Wärmebehandlung thermisch zerlegt, so daß Kohlenstoff 23 in dem Siliziumzuführungskörper gemäß Darstellung in 1B zurückbleibt. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur weiter ansteigt, wird der Restkohlenstoff verbrannt, durchläuft eine lokale Verdichtung, und reagiert mit den geschmolzenen Siliziumpartikeln, wenn die Temperatur den Schmelzpunkt des Siliziums erreicht, um die Siliziumkarbid-Rahmenstruktur (siehe 13 in 1C) auszubilden.Subsequently, the silicon supply body and the silicon carbide / carbon preform are heat-treated in a reaction sintering furnace under vacuum or in an inert atmosphere so that at least one of their surfaces is in contact. The curable resin is thermally decomposed in the temperature range of 400 to 500 ° C during the heat treatment, so that carbon 23 in the silicon feed body as shown in FIG 1B remains. As the heat treatment temperature continues to increase, the residual carbon is burned, undergoes local compression, and reacts with the molten silicon particles as the temperature reaches the melting point of silicon to form the silicon carbide frame structure (see FIG 13 in 1C ) train.

Die vorstehende Rahmenstruktur verbindet das geschmolzene Silizium vollständig in dem Siliziumzuführungskörper und verhindert, daß das geschmolzene Silizium verklumpt oder auf eine Seite wegläuft; so daß das geschmolzene Silizium gleichmäßig auf die Scherungsfläche 15 verteilt wird, wo die Vorform und der Siliziumzuführungskörper in Kontakt stehen. Demzufolge wird das geschmolzene Silizium in dem Siliziumzuführungskörper gleichmäßig in die Siliziumkarbidvorform infiltriert. Der Siliziumzuführungskörper hinterläßt schließlich die Siliziumkarbid-Rahmenstruktur 13 gemäß Darstellung in 1C. In der Siliziumkarbidvorform wird das aus dem Siliziumzuführungskörper infiltrierte geschmolzene Silizium mit den Kohlenstoffpartikeln zur Reaktion gebracht, um neue Siliziumkarbidpartikel 25 auszubilden, und das infiltrierte geschmolzene Silizium füllt auch die Luftspalte 24 zwischen den existierenden Siliziumkarbidpartikeln 21 aus.The above frame structure completely connects the molten silicon in the silicon supply body and prevents the molten silicon from clumping or running off to one side; so that the molten silicon evenly on the shear surface 15 is distributed, where the preform and the silicon supply body in contact. As a result, the molten silicon in the silicon supply body is uniformly infiltrated into the silicon carbide preform. The silicon supply body finally leaves the silicon carbide frame structure 13 as shown in 1C , In the silicon carbide preform, the molten silicon infiltrated from the silicon supply body is reacted with the carbon particles to form new silicon carbide particles 25 and the infiltrated molten silicon also fills the air gaps 24 between the existing silicon carbide particles 21 out.

Andererseits besitzt die Siliziumkarbid-Rahmenstruktur eine niedrige Festigkeit, und kann daher leicht von dem reaktions-gebundenen Körper getrennt werden. Das reaktions-gebundene Siliziumkarbid 20 kann durch eine einfache Verarbeitung gemäß Darstellung in 1D erhalten werden.On the other hand, the silicon carbide frame structure has a low strength, and thus can be easily separated from the reaction-bonded body. The reaction-bonded silicon carbide 20 can by a simple processing as shown in 1D to be obtained.

Wie vorstehend beschrieben, ist, wenn das reaktions-gebundene Siliziumkarbid unter Verwendung des Siliziumzuführungskörpers hergestellt wird, die Reaktion zwischen den aus dem Bindungsmittel in dem Siliziumzuführungskörper erhaltenen Kohlenstoff- und Siliziumpartikeln eine exotherme Reaktion, und dadurch kann das gleichmäßige Schmelzen des Siliziums induziert und die Kohäsion des Siliziums aufgrund der Oberflächenspannung verhindert werden. Daher kann die Fläche, durch welche das geschmolzene Silizium in die Siliziumkarbidvorform infiltriert wird, maximal gehalten werden.As described above, when the reaction-bonded silicon carbide manufactured using the Siliziumzuführungskörpers is the reaction between those obtained from the bonding agent in the Siliziumzuführungskörper Carbon and silicon particles an exothermic reaction, and This allows the uniform melting of silicon induced and the cohesion of silicon due the surface tension be prevented. Therefore, the area through which the molten Silicon is infiltrated into the silicon carbide preform, maximum being held.

Ferner wird eine gleichmäßige räumliche Verteilung des geschmolzenen Siliziums aufrechterhalten, um eine gleichmäßige Infiltrationsgeschwindigkeit über die gesamte Infiltrationsoberfläche zu erhalten, und daher kann die gesamte Infiltrationszeit, d.h. die Behaltungszeit minimiert werden. Ferner ist eine zusätzliche Vorrichtung für die Zuführung des geschmolzenen Siliziums nicht erforderlich. Somit können die Kosten für die Verarbeitungsanlage und den Brennofen reduziert werden.Further becomes a uniform spatial Distribution of molten silicon maintained to a uniform infiltration speed over the entire infiltration surface and therefore the total infiltration time, i. the retention time can be minimized. There is also an additional one Device for the feeder of the molten silicon is not required. Thus, the costs for the processing plant and the kiln are reduced.

Ausführungsformenembodiments

Eine Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform wird durch Mischen von Siliziumkarbid mit einer Größe von 1 bis 10 μm und Ruß von 10 bis 40 μm so hergestellt, daß sie Ruß von 0 bis 30 Volumenprozent enthält, und indem Phenolharz als Bindemittel zugefügt wird.A Silicon carbide / carbon preform is made by mixing silicon carbide with a size of 1 to 10 μm and Soot from 10 to 40 μm made so that they Soot from 0 to 30% by volume, and by adding phenolic resin as a binder.

Der Schmelzsiliziumzuführungskörper wird unter Verwendung von Siliziumpulver von 70 bis 2000 μm und dem Phenolharzbindemittel hergestellt.Of the Melt silicon feed body is using silicon powder of 70 to 2000 microns and the Phenolharzbindemittel made.

Zuerst werden 1 bis 15 Gewichtsprozent Phenolharz und 0 bis 15 Gewichtsprozent DBP basierend auf dem Gewicht des Materialpulvers in Alkohol gelöst, welcher Phenolharz lösen kann. Das Siliziumpulver wird der vorstehenden Lösung zugesetzt, um den Brei herzustellen. Nach der Zusetzung des Siliziumpulvers werden diese gleichmäßig mittels einer starken Rühr-, Mahl- oder Ultraschallverarbeitung gemischt und dann wird der Zusammenhang getrennt. Wenn der Brei in destilliertes Wasser, welches auf 50 bis 80°C erwärmt ist, eingetropft wird, erfolgt eine rasche Lösungsmittelersetzung, und der eingetropfte Brei geht in einen harten Zustand über. Das restliche Lösungsmittel in dem Granulat wird durch wiederholtes Rühren minimiert, und dann wird das eingetropfte Granulat aus der Lösung abgetrennt und getrocknet, um das erforderliche Granulat zu erhalten.First are 1 to 15 weight percent phenolic resin and 0 to 15 weight percent DBP based on the weight of the material powder dissolved in alcohol, which Dissolve phenolic resin can. The silicon powder is added to the above solution to remove the slurry manufacture. After the addition of the silicon powder, these become evenly a strong stirring, Milling or ultrasonic processing mixed and then the context separated. When the porridge in distilled water, which is at 50 up to 80 ° C heated is dropped, there is a rapid solvent replacement, and the Dripped porridge turns into a hard state. The remaining solvent in the granules is minimized by repeated stirring, and then the dripped granules are separated from the solution and dried, to obtain the required granules.

Als ein weiteres Verfahren wird die gewünschte Menge an Siliziumpulver und Phenolharz in einer trockenen Weise gemischt, und dann für 1 bis 8 Stunden in einer Kugelmühle trocken gemahlen. Dann wird das Granulat in einem relativ gleichmäßig gemischten Zustand gewonnen. Jedoch kann der ideale Mischzustand des Granulats durch das Naßmischverfahren erzielt werden.When Another method is the desired amount of silicon powder and phenolic resin mixed in a dry manner, and then for 1 to 8 hours in a ball mill ground dry. Then the granules are mixed in a relatively uniform manner State won. However, the ideal mixed state of the granules can by the wet mixing method be achieved.

Das erzeugte Granulat wird mit 5 bis 400 MPa in dem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 120°C komprimiert, um den Schmelzsiliziumszuführungskörper zu erhalten.The produced granules is at 5 to 400 MPa in the temperature range from room temperature to 120 ° C compressed to obtain the fused silica supply body.

In dem Reaktionsbindungsofen wird die 0 bis 30,3 Volumenprozent Ruß enthaltende reaktions-gebundene Siliziumkarbidvorform von 50 mm × 50 mm Größe mit dem Schmelzsiliziumzuführungskörper derselben Größe in Kontakt gebracht, und dann werden diese in dem Temperaturbereich von 1410 bis 1460°C unter Vakuumatmosphäre wärmebehandelt, um das geschmolzene Silizium in die Siliziumkarbidvorform zu infiltrieren. Dadurch wird das reaktions-gebundene Siliziumkarbid gewonnen.In the reaction bonding furnace is the 0 to 30.3 volume percent carbon black containing reaction-bonded silicon carbide preform of 50 mm × 50 mm Size with the Melt silicide delivery body of the same size in contact and then these are in the temperature range of 1410 up to 1460 ° C under vacuum atmosphere heat treated, to infiltrate the molten silicon into the silicon carbide preform. Thereby the reaction-bonded silicon carbide is recovered.

Tabelle 1 stellt die plastische Dichte und Sinterungsdichte des reaktions-gebundenen Siliziumkarbids gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Tabelle 1

Figure 00110001
Table 1 illustrates the plastic density and sintering density of the reaction bonded silicon carbide according to the present invention. Table 1
Figure 00110001

2A und 2B stellen eine Feinstruktur der Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform mit Ruß von 30,3 Volumenprozent dar (2A) und eine Feinstruktur der Siliziumkarbidsinterung nach der Reaktionsbindung (2B). 2A and 2 B illustrate a fine structure of the silicon carbide / carbon preform with carbon black of 30.3 percent by volume ( 2A ) and a fine structure of the silicon carbide sintering after the reaction bonding ( 2 B ).

Industrielle AnwendbarkeitIndustrial applicability

Wie bisher beschrieben, sind gemäß der Problemlösung der vorliegenden Erfindung der größte Teil der zum Herstellen des reaktions-gebundenen Siliziumkarbids in der konventionellen Technik benötigten Geräte, wie z.B. die Erwärmungsvorrichtung für das Schmelzen des Siliziums, der Schmelztopf für das Aufbewahren des geschmolzenen Siliziums und die Zuführungsvorrichtung aus dem Ofen zu dem Körper nicht erforderlich. Nur der Reaktionssinterungsofen für die Erwärmung des Siliziums bis zu der Schmelztemperatur ist erforderlich. Daher kann das reaktions-gebundene Siliziumkarbid wirtschaftlich hergestellt werden.As heretofore described, according to the problem solution of present invention, the majority of for preparing the reaction-bonded silicon carbide in the conventional Technology needed Equipment, such as. the heating device for the Melting of the silicon, the melting pot for the storage of the molten Silicon and the delivery device from the oven to the body not mandatory. Only the reaction sintering furnace for the heating of the Silicon up to the melting temperature is required. Therefore, can the reaction-bonded silicon carbide produced economically become.

Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Reaktion zwischen dem in dem Siliziumzuführungskörper vorliegenden Siliziumpulver und dem aus dem Bindemittel erhaltenen Kohlenstoff eine exotherme Reaktion, weshalb das Silizium gleichmäßig geschmolzen werden kann. Ferner ist die in dem Siliziumzuführungskörper ausgebildete Siliziumkarbid-Rahmenstruktur in der Lage, eine Verklumpung des geschmolzenen Siliziums aufgrund der Oberflächenspannung zu verhindern, weshalb die Infiltrationsfläche des geschmolzenen Siliziums maximal gehalten werden kann. Zusätzlich kann die gleichmäßige Infiltrationsgeschwindigkeit über die gesamte Infiltrationsoberfläche aufrechterhalten werden, indem die räumliche Verteilung des geschmolzenen Siliziums gleichmäßig aufrechterhalten wird. Daher kann die gesamte Infiltrationszeit, d.h., die Verarbeitungszeit, minimiert werden.Further is in accordance with the present Invention, the reaction between the present in the Siliziumzuführungskörper present Silicon powder and the carbon obtained from the binder an exothermic reaction, which is why the silicon melted evenly can be. Further, the silicon carbide frame structure formed in the silicon lead body is in FIG able to cause a clumping of the molten silicon due the surface tension to prevent, therefore, the infiltration surface of the molten silicon can be kept maximum. In addition, the uniform infiltration speed over the entire infiltration surface be maintained by the spatial distribution of the molten silicon maintained evenly becomes. Therefore, the total infiltration time, i.e., the processing time, be minimized.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung eines reaktion-gebundenen Siliziumkarbids bereitzustellen, welches folgende Verfahrensschritte aufweist:
Bereitstellen eines Siliziumzuführungskörpers mit vorbestimmter Form, welcher Siliziumpulver und Phenolharz, Furfurylalkoholharz oder Epoxidharz als einen Binder enthält;
Bereitstellen einer Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform;
Inkontaktbringen des Siliziumzuführungskörpers mit einer Oberfläche der Vorform in einem Reaktionsverbindungsofen; und
Wärmebehandeln dieser mit einer höheren Temperatur als der Schmelztemperatur des Siliziums unter Vakuum oder Inertatmosphäre, damit geschmolzenes Silizium in dem Siliziumzuführungskörper in die Vorform infiltriert.
(1A1D)
The present invention is inter alia based on the object of providing a process for the economic production of a reaction-bonded silicon carbide, which process comprises the following process steps:
Providing a silicon feed body of a predetermined shape containing silicon powder and phenolic resin, furfuryl alcohol resin or epoxy resin as a binder;
Providing a silicon carbide / carbon preform;
Contacting the silicon delivery body with a surface of the preform in a reaction bonding furnace; and
Heat treating it at a temperature higher than the melting temperature of the silicon under vacuum or inert atmosphere to infiltrate molten silicon in the silicon feed body into the preform.
( 1A - 1D )

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung von reaktions-gebundenem Siliziumkarbid mit den Schritten: Bereitstellen eines Siliziumzuführungskörpers mit vorbestimmter Form, welcher Siliziumpulver und Phenolharz, Furfurylalkoholharz oder Epoxidharz als Binder enthält; Bereitstellen einer Siliziumkarbid/Kohlenstoff-Vorform; Inkontaktbringen des Siliziumzuführungskörpers mit einer Oberfläche der Vorform in einem Reaktionsbindungsofen; und Wärmebehandeln dieser mit einer höheren Temperatur als der Schmelztemperatur des Siliziums unter Vakuum oder Inertatmosphäre, damit geschmolzenes Silizium in dem Siliziumzuführungskörper in die Vorform infiltriert.A method of producing reaction bonded silicon carbide comprising the steps of: providing a silicon feed body of a predetermined shape containing silicon powder and phenolic resin, furfuryl alcohol resin or epoxy resin as a binder; Providing a silicon carbide / carbon preform; Contacting the silicon delivery body with a surface of the preform in a reaction bonding furnace; and heat treating it at a temperature higher than the melting temperature of the silicon under vacuum or inert atmosphere to infiltrate molten silicon in the silicon feed body into the preform. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Siliziumzuführungskörper hergestellt wird, indem ein Brei durch Mischen von 70 bis 99 Gewichtsprozent Siliziumpulver und aushärtbarem Harz mit 1 bis 10 Gewichtsprozent als Bindemittel in einem Lösungsmittel gemischt werden; Trocknen des Breis, um Körnchen zu erhalten; und Plastifizieren der Körnchen, um eine vorbestimmte Form zu erhalten.The method of claim 2, wherein the silicon supply body is manufactured is made by adding a pulp by mixing 70 to 99 weight percent Silicon powder and hardenable Resin with 1 to 10 weight percent as a binder in a solvent to be mixed; Drying the slurry to obtain granules; and plasticizing the granules, to obtain a predetermined shape. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Größe der Siliziumpulver-Partikel etwa 10 bis 5000 μm ist.The method of claim 2, wherein the size of the silicon powder particles about 10 to 5000 microns is. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Plastifizierungstemperatur in dem Bereich von Raumtemperatur bis 120°C liegt.Process according to claim 2, wherein the plasticizing temperature is in the range of room temperature to 120 ° C. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bindemittel 1 bis 10 Gewichtsprozent thermoplastisches Harz enthält, welches aus Polyvinylbutyral (PVB), Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylacetat (PVAc) und Polymethylmethacrylat (PMMA) ausgewählt wird.The method of claim 2, wherein the binder 1 to 10 weight percent thermoplastic resin containing polyvinyl butyral (PVB), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate (PVAc) and polymethyl methacrylate (PMMA) is selected. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bindemittel einen Plastifizierer mit 1 bis 10 Gewichtsprozent enthält, welcher aus Dibutylphthalat (DBT), Benzyl-Butylphthalat (BBT), Polyethylenglykol (PEG), Di-Metylphthalat (DMP), Di-Octylphthalat (DOP) und Glycerol ausgewählt wird.The method of claim 2, wherein the binder contains a plasticizer with 1 to 10 weight percent, which from dibutyl phthalate (DBT), benzyl-butyl phthalate (BBT), polyethylene glycol (PEG), di-metyl phthalate (DMP), di-octyl phthalate (DOP) and glycerol selected becomes. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Plastifizierungstemperatur in dem Bereich von 60 bis 120°C liegt.A method according to claim 5 or 6, wherein the plasticizing temperature in the range of 60 to 120 ° C lies. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Siliziumkarbid-Rahmenstruktur durch Reaktion der Siliziumpartikel und des Bindemittels in dem Siliziumzuführungskörper aufgrund der Wärmebehandlung erzeugt wird.The method of claim 1, wherein a silicon carbide frame structure by Reaction of the silicon particles and the binder in the Siliziumzuführungskörper due the heat treatment is produced. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärmebehandlungstemperatur zwischen 1410 bis 1550°C liegt.The method of claim 1, wherein the heat treatment temperature between 1410 and 1550 ° C lies. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis zwischen den Abmessungen der Partikel des Siliziumpulvers und des Siliziumkarbidpulvers 5:1 bis 25:1 ist.The method of claim 1, wherein a ratio between the dimensions of the particles of the silicon powder and the silicon carbide powder 5: 1 to 25: 1.
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