DE1471070A1 - Heissgepresster Silikaglas-Bornitridkoerper - Google Patents

Description

The Carborundum Company

Niagara Falls, Ν.Υ., USA 28.7.1964

Heissgepresster Silikaglas-Bornitridkörper

Die Erfindung bezieht sich auf Bornitridkörper und bezweckt, dielektrische Eigenschaften zu erzeugen und einen guten Widerstand gegen Feuchtigkeit zu erzielen.

In der Elektro-Industrie werden. Isoliermaterialien verlangt, die eine hohe Dielektrizitätskonstante haben sowie einen niedrigen Energieverbrauch, Widerstandsfähigkeit gegen Wärmestösse und Feuchtigkeit, hohe Festigkeit, hohe Dichte und gute Bearbeitbarkeit. Verbindungen für Isolatoren mit all diesen Eigenschaften sind bisher unbekannt. Als Isoliermaterialien werden meist Porzellan, Steatitporzellan, gesintertes Aluminiumoxyd, geschmolzenes Siliziumoxyd und Borsilikaglas verwendet.Porzellan hat einen hohen Energieverbrauch und geringen Widerstand gegen Wärmestösse. Steatitporzellan hat geringen Widerstand gegen Wärmestösse und wegen der !Instabilität des MgSiG, bei Feuchtigkeit schlechte elektrische Betriebseigenschaften. Geschmolzenes Siliziumoxyd hat zwar gute elektrische Eigenschaften und einen hohen Widerstand gegen Wärmestösse, es ist aber sehr teuer und bricht leicht. Auch gesintertes Aluminiumoxyd hat gute elektrische Eigenschaften, aber geringeren Widerstand gegen Wärmestöße, und es ist auch sehr teuer und bricht leicht. Borsilikaglas hat zufriedenstellende elektrische Eigenschaften, aber es ist in Wasser unstabil und bricht verhältnismässig leicht, Alle genannten Materialien sind schlecht bearbeitbar. Bearbeitbarkeit ist aber wichtig wegen der Formgebungen und/oder der engen Toleranzen, die bei der

Wo/Th ■ - 2 -

90 9 8 09/0399

elektrischen Isolierung von keramischen Materialien gefordert werden. Man kann wohl die keramischen Materialien schleifen, aber das ist schwierig, weil die Materialien leicht "brechen.

Die Erfindung bezweckt also die Schaffung von Isolierkörpern mit guten physikalischen elektrischen Eigenschaften, die stabil und leicht bearbeitbar sind und billig sind.

Die obengenannten gewünschten Eigenschaften sind erfindungsgemäß erzielbar, wenn die Körper aus rekristallisiertem Bornitrid und Silikaglas bestehen.

Bornitrid (BN) kommt meistens als feines weisses oder graues Pulver vor, das sich schlüpfrig anfühlt, und das bei ungefähr 3000° C schmilzt oder sich zersetzt. Bornitrid kann in einer neutralen Atmosphäre ohne Zersetzung bis über 2000° 0 erhitzt werden. Bornitrit ist feuerfest und nicht leitend und ist wegen seiner? Schlüpfrigkeit als hitzefestes Schmiermittel benutzt worden.

Beispielsweise nach dem US-Patent 2 839 366 hergestelltes Bornitrid hat im trockenen Zustand eine Dielektrizitätskonstante E von ungefähr 4,2 bei 25 ~C und 1 kc sowie einen geringen Energieverbrauch. Man kann ein solches Bornitrid heisspressen in einer G-raphitform und so leicht bearbeitbare Isolierkörper herstellen. Die Körper sind aber dann sehr empfindlich gegenüber Wasser, und die elektrischen Eigenschaften solcher Körper sind in nassem Zustande schlecht. Erhitzt man Bornitrid auf etwa 1000° C, dann wird es widerstandsfähiger gegen Oxydation bei hohen Temperaturen, aber durch eine solche Behandlung des Pulvers, die auch Stabilisierung genannt wird, verschwindet die ungünstige Einwirkung der Feuchtigkeit

9 0 9 8 0 9/0399

auf dl« elektrischen Eigenschaften nioht. Biese ungünstigen Einflüsse eohreibt man der Anwesenheit von Boroxyd (B₂Oa) Oder von Substanzen zu, die unter Hydrolyse Boroxyd bilden. Selbst nach Stabilisierung von Bornitrid ist bei Anwesenheit ron Wasser Boroxyd vorhanden.

Is hat sioh ergeben, dass bei Verwendung von rekrlstallisiertem Bornitrid sich ein Körper ergibt, der kein freies SpO« enthält» selbst wenn der Körper sechs !Tage lang kochendem Wasser ausgesetzt wird* Das RekrIstallisleren kann erfolgen, Indem man das Bornitrid auf über 1800° C, zweokm&ssig auf etwa 2000° 0, erhitzt, jedenfalls aber unter der Zeroetzungstemperatur, und zwar solange, bis Hekrietallisierung auftritt. Im allgemeine^ genügt eine Erhitzungsdauer von etwa einer Stunde im unteren Erhitzungebereich. Obgleich, wie oben gesagt, rekristallislertee Bornitrid stabil ist, selbst bei längerer Aus wirkung von kochendem f.aeser, ist es nicht «u Isoliexkörpern heiss preesbar. Man konnte also dielektrische Körper aus reinem rekriatalliaiertem Bornitrid nioht herstellen*

Erfindungsgemäes ergeben sich aber solche Isolierkörper durch Verwendung von Mischungen von rekristallisieren Bornitrid und Eilika. Solche Körper haben eine DielektriBitätskonstante K von etwa 4 bei 1 ko und 25° C sowie einen Energieverbrauch von etwa 4 χ 10 ♦ Die Körper werden von feuchtigkeit nicht beeinflusst, sind hoohwiderstandsfählg gegen Wärmestösse und sind in einem groesen Silikabereich gut bearbeitbar» Die Körper haben also alle die obengenannten, für ein keramleohes dielektrisches material gewünschten Eigenschaften.Die Körper sind ausserdem billig herzustellen.

Die herstellung erfolgt durch Heitspreseen einer wischung von Silika und rekristalliaertem Bornitrid in einer

Stickstoff Atmosphäre. _{ΛΛ ο}._η

909809/0399 BAD

Beispiel I _ψ-"

Vieralg Ttllt fein verteilten r*kri*talli«i·**·« »·** nitrite Alt eintr fartikelgröeie τοη 1 Ut 5

; wurden «it etoheaig Teilen feinen eiUkaful##t# f$t

Partikelgröeee τοη 1 bie 5 Mikron vereitent und i» eü* ι Graphitfor« eingebracht iweok· Bildung τοη Zylindern ! j 100 χ 100 asu Die gt*ohloteent For« wurde in einen IVf ^; Heieepreeeen geeigneten Ofen eingebracht und In eiaea Stlokatoffstroa auf 1750° 0 erhitat. 9er 8Uoketo** , eohütet gegen ^uxyd*tiont Dann wurde 90 Minuten lamg el» Foradruok τοη 14 kg/oa² angewendet* Raoh Abkühlen der for« konnten τοη dem geformten Zylinder «it mit Karbidepitien Ttetetüekt abgeeohnitten werten«

Der erhaltene Körper haue»int Dichte τοη 2,2 gr/a*'_f hatte ein· tbtnt Jläoh· und war wel··« Ilek eine· eolohtn I·ölitrkörper· teigten ein I τοη 9»$ 1*1 1 ko und 29° 0 und einen Snergitvtrbrauoh »ei Troekensuatand τοη 3,0 χ 10~« Litte aan eine felngeaahle«· Menge 4Θ Stunden lang in destillierte« "waeeer mnd «an» dann etigtt eioh, da·· da· Filtrat ktin IgO- ent* hielt« Dadurch ergibt eich, da·· da· Produkt in *·#■·* ■tabll ist« Bestätigt wurde dae, indem «an ein auiter ••oh« lag· lang bei 20° 0 in Waettr elntauoht« und troeken wieohte. Bei Tier Minuten lang·« Test war te· i iaaer nooh 3,5 bei 1 ko und 25° 0» und der Inergie ·»

-4

Terbrauoh betrug nur 3,3 χ 10

Die äueaaaanotsung dtr Körptr kann variitren, wie sieb aus folgendem Beispiel ergibt·

Beieplel II

PünfundeeohBig Teile fein verteilten rekrittallieierten Bornitrid· wurden mit fünfunddreieelg Teilen feinen Silikapulver· Teraieoht und in einer öraphitfor« hei··

90Ö80S/0399

ORIGINAL

!•ft···!· Ι Ham wurde in StIok·toff auf 1750° 0 erhitit, und ·· Wttri· 90 Minuten lan« «in JOradruok von 14 kg/om² angewendet. Die abgeeohnittenen feststüoke hatten «in· l Ton 3,37 *·1 1 ko und 25° ö

■owie einen Inergitverbrauch von 9,2 ζ 10 %

fels.piel III

Aus seehsig feilen fein verteilten rekristallisieren Bornitrid· und vierzig Teilen fein verteilter Silika wurde eben·©» wie im Beispiel II, ein Körper heiasgepresst, der ein I roe. 3#87 bei 1 ko und 25° 0 hatte sowie einen Energieverbrauch von 1,4 x 10 .

Dae MieohungeverhältniG liegt vorzugsweise zwiaohea öle 60?C Silika und 40^ bis 65* Bornitrid. Aber auch bei einem Anteil von 7Ö£ oder 3 O^ ergeben ei oh imrner nooh für beetiaaite Sweoke gute Bigensohaiten.

£ fWäe· der Erfindung sind aiemlich dicht und haben •in epeiifieeiiee ^©wioht von Z,16 oder höher, und sie sind leiont bearbeitbar. Di· Körper widerstehen einer Zersturung duroii Viaeeer, und ihre Struktur besteht aus fein verteilten Bornitridpartikeln in einer kontinuierlichen Blase einer Slasiaaese» die im wesentlichen ailik«. ist. Offenbai benetat die &laeaasse die Bornitridp&rtikel, ohne diese Partikel anaugreifen, und es besteht keine feaäens auf

BIe dielektrisch· Konstante beträgt bei den erfindungage- »Mssen Körpern bei 1 ko und 25° C 2,$ bis 4,5, und der

beträgt in trockenen 2uatand zwiaehen bie 10 ζ 10""^, Die Körper sind si«mlioh Oxydetione-

£tst und ktttmen In der Luft mehr als drei 'Jage einer *

bad

Temperatur von 1000° C ausgesetst werden sit nur »ehr geringem Verlust, verglichen mit einem heissgepreftafen Körper nur aua Bornitrid. Auch bei längerem Aueeetsen in eine; oxydierenden Atmosphäre, selbst bei 1100° G₁ ergeben »loh keine übermäsBlgen Verluste. Dlenerfindungegemäseen Körper haben auch β ne verhältnismässig' gute Festigkeit und ausgezeichneten Widerstand gegen Wäratstüsse. Die festigkeit beträgt etwa 10,5 kg/om bei Baumtemperatur« Zur Beetimmung des Widerstandes gegen Wärmeetöeae wurden Teetkörper naon Beispiel I auf 1400° 0 erhitat und βohne11 abgekühlt. Se zeigten 8ion weder Oxydation nooh Bisse, und auoh bei swansigmallger Wiederholung der Irhitsung und der Abkühlung zeigten β loh bei ßintauohen der Körper in kaltes Wa**#r keine Deformationen. Daraus 1st eraiohtlioh, dass die Körper einen ausgezeichneten Widerstand gegen Wärme·tösee haben. Beim dessen der Wärmeauedehnung der Körper ergab «loh ein sehr niedriger Koeffizient und sehr viel weniger Anisotropie als beixgewöhnliohem heiesgepreseten Bornitrid. Die armeleitfähigkeit der erfindungsgemäeeen Körper ist hoch und liegt etwa bei 100 Btu/ft²-Är-°f/in.

Herstellungsart

Sie Sgga der Körper kann variieren. Beispieleweise können der Pressdruck, die Temperatur und die Zeit auoh. andere sein. Gewöhnlich ist ein Formdruok von 14 kg/om vorzuziehen, wobei eioh die gewünscht^ Dichte ergibt, aber im ersten feil der Erhitzung kann der Formdruck auoh 28 kg/om betragen, und dann kann die Ire·.··» ■eit geringer sein. Bei höheren Temperaturen kann ge* wöhalioh ein niedrigerer ?ormdruok verwendet werden, ^e können auch sehr hohe Drüoke verwendet werden» aber da· 1·% nicht notwendig und hat keine bestimmten Verteile» Auch die Paxtlkelgrösae der Mischungsbestandteile keim variieren.

Sie leiaepresstemperatur soll awisohen 1700° 0 und 1800°

«AD

lltgen* DIi Temperatur kann manchmal höher sein, soll aber nicht Unterhalb 1700° 0 liegen. 1750° 0 sind am etaten, Bei tine*, solchen Temperatur und bei einem Druck Ten U kg/t** ergibt tion bei dreißig Minuten langem Frttttn tin aptalfltthtt ttewioht von etwa 2ι16 oder höher. Beihttherea Temperaturen und höherem Druck verringert tieh dlt aUfeuweadende Seit und umgekehrt. Beim Abkühlen nath dem fressen muss darauf geaohtet «erden» dass kelnt Xatglatung dee SllikagXattt eintritt* Idtalerweitt betteken die trfindungegeateeen Körper nur aut Bornitrid und eiliktfiei. Nietens sind abtr kleinere Bestandteile von Verunreinigungen vorhanden» «it beispielsweise HgQ* *2,»$ι* **Ö ^{mnd B}2°3* ^{Wtnn dle Anttile} tolohtr Veranstinigungtn einen Bruohteil eines Prozentes betragen, dann «erden eis Beetandteile der Glasphase und tlnd in den aeltten Pillen nicht eohHdlioh. Einige der Unreinigkeiten bilden allerdings Verbindungen, die den Wideretand der aiaaphaee gegen Watttr verringern, und dit deehalb auch, bei gröeeeren Mengenanteilen, die elektrischen Eigenschaften itt Körpers ungünstig bttinflutatn. Auf jeden Fall sind aber ntlttgtprtuttt Körper aut Bornitridι gebunden mit ßillkaglae» besser alt nur aut Bornitrid bestehende törper.

11t oben angegeben» können elektrische Isolierkörper direkt geformt werden oder aber auch aue gröaeeren Körpern durch Bearbeitung hergestellt werden. Betondera intereseant eind kleine bearbeitete Isolatoren, well den bearbeiteten Flächen tint gute Qberfläohenbeeohaffenhelt gegeben «erden kann» wie das btltplelt«tlae erforderlich let für die Unterlagen von Geltungen mit dünnem Film sowie bei Mikroleltungen. Im letzteren Falle let die Wärmeleitfähigkeit der erfindungtgtmäeaen Körper besonders erwünscht.

Soweit im Vorhergehenden von froienteätaen gesprochen wird, tlnd ProeentsätJce und Teilsahlen auf das Gewicht eurUokaubeaiehen·.

■^; ^ Patentansprüche ι

909809/0399

-8-

Claims (3)

1) HeieegepreeBter Silikaglae-Bornitridkörper_f dadurch gekennzeichnet, date dm» Bornitrid rekriitallieieitt· Bornitrid let und in einem Anteil von 30 big 7Q£ vorhanden let*

2) ileieegepreester Silikaglae-Bornitridkörper nach An-■pruch 1, dadurch gekenaeelohnet» da as Bornitrid mit feinen Partikeln in dem Silikagla· verteilt let«

3) Verfahren sur Einteilung eine« ktramiiohtn Ieolier- Körptr» nach. Anepruoh 1 oder 2» dadurch g*k«nne·lohnet, da·· die fein verteilte Mitohung der bei wenigfiten· et«« 1700° io langt und bei lolohen Drücken heleegepresst nird₉ dae· eich ein «p«*ifi»ohee Geflöht von etwa 2#16 ergibt, und dae Abkühlen te« Körper« eo erfolgt» da» keine Eniglaeung de« Silikagl&eet auftritt«

BAD ORIGINAL 9 0 9809/039 9