DE1471070C - Isolierkörper für die Elektroindustrie und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

weiter Grenzen des Siliciumdioxid-Gehaltes gut bearbeitbar. Die Körper haben also alle für einen keramischen elektrischen Isolierwerkstoff aufgeführten Eigenschaften und sind außerdem billig herzustellen.

Gemäß der Erfindung werden die Isolierkörper durch. Heißpressung einer Mischung von Siliciumdioxid und rekristallisiertem Bornitrid in einer Stickstoffatmosphäre hergestellt.

In der Technik sind zwar bereits Heißpreßkörper aus Bornitrid einerseits und Siliciumnitrid und/oder Aluminiumnitrid und gegebenenfalls Siliciumcarbid als Bindemittel andererseits oder aus Bornitrid und Metallsiliciden bekanntgeworden, doch handelt es sich dabei durchweg um Feuerfestkörper, die kein rekristallisiertes Bornitrid enthalten und auch bei Temperaturen heißgepreßt werden, die weit unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Bornitrids liegen. Ihre elektrischen sowie ihre mechanischen Eigenschaften und ihre Bearbeitbarkeit entsprechen nicht den oben für elektrische Isolierkörper aufgestellten Forderungen.

Folgende Beispiele veranschaulichen die Erfindung.

Beispiel 1

40 Teile feinverteiltes rekristallisiertes Bornitrid mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1 bis 5 μπι wurde mit 60 Teilen feinem Siliciumdioxidpulver mit einem Teilchendurchmesser von 1 bis 5 μΐη vermischt und in eine Graphitform eingefüllt, die sich zum Formen von Zylindern der Abmessungen 100 mm Durchmesser · 100 mm eignete.

Die geschlossene Form wurde in einem zum Heißpressen geeigneten Ofen eingesetzt und in einem Stickstoffstrom auf 1750⁰C erhitzt. Der Stickstoff hatte, dabei die Aufgabe, die Form gegen Oxydation zu schützen. Dann wurde 90 Minuten lang ein Formdruck von 140 kp/cm² ausgeübt. Nach dem Abkühlen der Form wurde ein Zylinder erhalten, von.dem mit Hartmetall bestückten Werkzeugen leicht Prüfkörper abgetrennt werden konnten.

Das erhaltene Produkt hatte eine Dichte von 2,2 g/cm³, eine grauweiße Farbe und eine glatte Oberfläche. Eine Untersuchung der elektrischen Eigenschaften der aus dem keramischen Körper erhaltenen ι Prüflinge ergab eine Dielektrizitätskonstante von • k = 3,5 bei 1 kHz und 25° C sowie im trockenen Zuj stand einen elektrischen Verlustfaktor von 3,0 · 10~⁴. j Kochen einer feingemahlenen Probe des Produktes 48 Stunden lang in destilliertem Wasser am Rückflußkühler und Abfiltrieren ergab ein Filtrat, in dem kein B₂O₃ festgestellt werden konnte. Daraus geht hervor, daß das Produkt in Wasser beständig ist. Dies wurde auch durch einen Versuch bestätigt, bei dem eine Probe 6 Tage lang bei 20⁰C in Wasser eingetaucht, trockengerieben und innerhalb von 4 Minuten geprüft wurde. Die Dielektrizitätskonstante A: war immer noch 3,5 bei 1 kHz und 25 ⁰C, und der elektrische Verlustfaktor betrug nur 3,3 · 10~⁴. Die Zusammensetzung der Isolierkörper gemäß der Erfindung kann innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen variieren, wie sich aus folgendem Beispiel ergibt.

Beispiel 2

65 Teile feinverteiltes rekristallisiertes Bornitrid wurden mit 35 Teilen feinem Siliciumdioxidpulver gründlich vermischt, und die Mischung wurde in eine zum Heißpressen geeignete Graphitform gefüllt. Die gefüllte Form wurde in Stickstoff auf 1750⁰C erhitzt, und es wurde 90 Minuten lang ein Formdruck von 140 kp/cm² ausgeübt. Die Form wurde dann abgekühlt und der Heißpreßkörper herausgenommen. Mit Hilfe gebräuchlicher carbidbestückter Werkzeuge wurden aus dem Körper Isolierprüflinge herausgeschnitten. Die Prüflinge hatten eine Dielektrizitätskonstante von 3,37 bei 25°C und 1 kHz und einen elektrischen ίο Verlustfaktor von 9,2 · ΙΟ-⁴.

Beispiel 3

Aus einer Mischung von 60 Teilen feinverteiltem rekristallisiertem Bornitrid und 40 Teilen feinverteiltem Siliciumdioxid wurde unter Verwendung der gleichen Einrichtung und des gleichen Verfahrens wie im Beispiel 2 ein Körper heißgepreßt. Der erhaltene kerami-. sehe Isolierkörper hatte eine Dielektrizitätskonstante von k = 3,87 bei 1 kHz und 25 ⁰C sowie einen Verlustfaktor von 1,4 · ΙΟ-⁴.

Wie aus vorstehenden Beispielen ersichtlich, liegt die Zusammensetzung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Körper vorzugsweise im Bereich von 35 bis 60% Siliciumdioxid und 40 bis 65% Bornitrid. Es wurde jedoch gefunden, daß auch Körper dieser Art, bei denen der Bornitridgehalt bis zu 70% oder bis herab zu 30% beträgt, die gewünschten Eigenschaften haben und für bestimmte Zwecke brauchbar sind.

Die Körper gemäß der vorliegenden Erfindung sind verhältnismäßig dicht, haben ein spezifisches Gewicht von 2,16 oder höher, lassen sich leicht spangebend bearbeiten, d. h., sie können leicht nach herkömmlichen Verfahren und mit Hilfe gebräuchlicher Hartmetallwerkzeuge spanend geformt werden, sind gegen eine Verschlechterung ihrer Eigenschaften durch Wasser sehr beständig und haben ein G.efüge, das durch feinverteilte Bornitridteilchen als dispergierter Phase in einer kontinuierlichen Phase einer glasartigen Matrix gekennzeichnet ist, die im Wesentlichen aus Siliciumdioxid besteht. Die glasartige Matrix scheint die Bornitridteilchen zu benetzen, ohne sie anzugreifen, und es scheint auch keine Neigung zur Entglasung zu bestehen.

Hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften haben die Körper Dielektrizitätskonstanten bei 25 ⁰C und 1 kHz im Bereich von k = 2,5 bis 4,5 und im trockenen Zustand Verlustfaktoren von 1 · 10-" bis 10 · ΙΟ"⁴. Die Körper sind gegen Oxydation sehr widerstandsfähig. Sie überstehen im Gegensatz zu heißgepreßten Körpern, die nur aus Bornitrid bestehen, erhitzen in Luft auf 1000⁰C für eine Dauer von mehr als 3 Tagen mit nur leichtem Gewichtsverlust. Selbst eine längere Einwirkung einer oxydierenden Atmosphäre bei 1100⁰C ist möglich, ohne daß unannehmbar hohe Gewichtsverluste auftreten. Die Körper gemäß der Erfindung zeichnen sich ferner durch eine verhältnismäßig gute Festigkeit und eine ausgezeichnete Temperaturwechselfestigkeit aus. Die Festigkeit liegt in der Größenordnung von 1055 kp/cm² bei Raumtemperatur.

Zur Bestimmung der Temperaturwechselfestigkeit wurden Prüflinge, die aus einem Körper wie dem des Beispiels 1 herausgeschnitten worden waren, abwechselnd auf 1400⁰C erhitzt und dann rasch abgekühlt. Nach zwanzig Zyklen dieser Behandlung und anschließendem Eintauchen der heißen Prüflinge in kaltes Wasser wurden keine Oxydation, Rißbildung oder

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Verformung beobachtet. Es ist daher offensichtlich, einem spezifischen Gewicht von etwa 2,16 oder höher daß die Körper eine ausgezeichnete Temperatur- erhalten. Wie zu erwarten, verringert sich die Zeit zur Wechselfestigkeit haben. Messungen der Wärmeaus- Erzielung der gewünschten Körper mit höheren Temdehnung der Körper gemäß der Erfindung ergaben peraturen und höheren Drücken und umgekehrt, einen sehr niedrigen Beiwert und erheblich geringere 5 Erwähnt sei hier, daß die Körper nach dem Heißanisotropische Eigenschaften, als sie bei heißgepreß- pressen mit.einer .solchen Geschwindigkeit abgekühlt tem gewöhnlichem Bornitrid gefunden werden. Die ■Werden;--JjpüSS>"etv';daß' eine Entglasung des Süicium-Wärmeleitfähigkeit der Körper gemäß der Erfindung dioxidglS'se.s.A'ermieden wird.

ist hoch, sie liegt in der Größenordnung von Im Idealfall bestehen die Körper gemäß der vor-

12,4 kcal/m · h · grd. io liegenden Erfindung nur aus Bornitrid und Silicium-

Das in den Beispielen veranschaulichte Verfahren dioxid. In den meisten Fällen jedoch enthalten das zur Herstellung der Körper gemäß der Erfindung kann Siliciumdioxid und/oder das Bornitrid kleinere Anteile in verschiedener Weise abgeändert werden. Beispiels- oder Verunreinigungen von MgO, Al₂O₃, BaO und weise können die Preßbedingungen in bezug auf den B₂O₃. Wenn diese Stoffe in sehr kleinen Mengen zuDruck, die Temperatur und die Dauer geändert wer- 15 gegen sind, d. h. in der Größenordnung von Bruchden. Ein Druck von mindestens 140 kp/cm² ist in der teilen eines Prozentes, werden sie zu einem Teil der Regel vorzuziehen, um die gewünschte Dichte der Glasphase und stören bei den meisten Verwendungs-Körper zu erzielen, doch kann im unteren Teil des zwecken nicht. Einige dieser Verunreinigungen bilden bevorzugten Temperaturbereichs ein Druck von jedoch Verbindungen, die die Beständigkeit der Glas-280 kp/cm² oder mehr zweckmäßiger sein und eine 20 phase gegen Wasser herabsetzen und die daher, wenn Verkürzung der Preßzeit ermöglichen. Bei höheren sie in wesentlichen Mengen vorhanden sind, die elek-Temperaturen reichen in der Regel 140 kp/cm² aus, irischen Eigenschaften der Körper ungünstig beeindoch können bei richtigem Aufbringen auch etwas flüssen. Dessen ungeachtet sind die heißgepreßten niedrigere Drücke angewandt werden. Natürlich kön- Körper aus mit Siliciumdioxid gebundenem Bornitrid nen, falls gewünscht, auch sehr viel höhere Drücke 25 in vieler Hinsicht demjenigen aus reinem Bornitrid i benutzt werden, aber im allgemeinen sind solche überlegen, selbst wenn sie in dieser oder jener Hinsicht | Drücke nicht notwendig und auch nicht besonders nicht die gewünschten maximalen Eigenschaften auf- j vorteilhaft. Es ist ferner selbstverständlich, daß die weisen.

Teilchengrößen des rekristallisierten Bornitrids und Wie oben angegeben, können elektrische Isolier-

des Siliciumdioxids innerhalb angemessener Grenzen, 30 körper und Gegenstände direkt nach dem Verfahren

die für den Fachmann leicht erkennb r sind, schwan- der Erfindung geformt oder aus größeren Körpern

ken kann. durch spangebende Bearbeitung leicht hergestellt wer-

Um Körper der gewünschten Eigenschaften zu er- den. Kleine, spanend hergestellte Isolatoren sind von j

halten, wird eine Heißpreßtemperatur im Bereich von besonderem Interesse, da sie eine gute Oberfläche

etwa 1700 bis 1800⁰C bevorzugt. In manchen Fällen 35 haben, der leicht die glatte Beschaffenheit erteilt wer-

können höhere Temperaturen angewandt werden, aber den kann, die zu ihrer Verwendung als Untergrund für ι

niedrigere Temperaturen als 1700°C sind in der Regel Dünnfilmschaltungen und in Mikrobauelementen not- ■

unpraktisch. Es wurde gefunden, daß eine Temperatur wendig ist. Im letztgenannten Fall ist die hohe Wärme- j

von etwa 750°C am günstigsten ist. Bei einer derartigen leitfähigkeit von Vorteil. j

Temperatur und mit einem Druck von etwa 140 kp/cm² 40 Prozent- und Teilangaben sind, sofern nicht anders

werden durch 30 Minuten langes Pressen Körper mit angegeben, Gewichtsprozente und Gewichtsteile. !

Claims (2)

1 2 die Angabe eines zweckmäßigen Herstellungsverfah- Patentansprüche: rens. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge-

1. Isolierkörper für die Elektroindustrie mit löst, daß er zu 30 bis 70 Gewichtsprozent aus reguter Bearbeitbarkeit, guten physikalischen und di- S kristallisierten Bornitridteilchen und im übrigen aus elektrischen Eigenschaften sowie guter Wasser- einer glasigen Siliciumdioxid-Matrix und gegebenenbeständigkeit, dadurch gekennzeich- falls den üblichen Verunreinigungen in geringen Menn e t, daß er zu 30 bis 70 Gewichtsprozent aus re- gen besteht.

kristallisierten Bornitridteilchen und im übrigen Das Verfahren zum Herstellen des Körpers besteht

aus einer glasigen Siliciumdioxid-Matrix und gege- io darin, daß ein feinteiliges Gemenge der genannten

benenfalls den üblichen Verunreinigungen in ge- Bestandteile bei mindestens 1700°C mit zu einem

ringen Mengen besteht. spezifischen Gewicht von mindestens 2,16 g/cm³ füh-

2. Verfahren zum Herstellen des Körpers nach renden Drücken gepreßt und danach unter Vermeidung Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein fein- einer Entglasung abgekühlt wird.

teiliges Gemenge der genannten Bestandteile bei 15 Bornitrid (BN) kommt in der Regel als feines weißes

mindestens 1700⁰C mit zu einem spezifischen oder graues Pulver vor, das sich schlüpfrig anfühlt

Gewicht von mindestens 2,16 g/cm³ führenden und bei etwa 3000⁰C schmilzt oder sich zersetzt. In

Drücken gepreßt und danach unter Vermeidung einer inerten Atmosphäre kann Bornitrid ohne Zer-

einer Entglasung abgekühlt wird. Setzung bis auf über 2000°C erhitzt werden. Bornitrid

20 ist feuerfest, leitet den elektrischen Strom nicht und ist wegen seiner Schlüpfrigkeit als hitzebeständiges

Schmiermittel benutzt worden.

Das beispielsweise nach dem Verfahren der USA.-Patentschrift 2 839 366 hergestellte Bornitrid hat im

Die Erfindung betrifft einen Isolierkörper für die 35 trockenen Zustand eine Dielektrizitätskonstante von

Elektroindustrie mit guter Bearbeitbarkeit, guten k «* 4,2 bei 25°C und IkHz sowie einen niedrigen

physikalischen und dielektrischen Eigenschaften sowie elektrischen Verlustfaktor. Aus derartigem Bornitrid

guter Beständigkeit gegen Wasser und ein Verfahren lassen sich durch Heißpressen in einer feuerfesten

zu seiner Herstellung. Form, z. B. einer solchen aus Graphit, nach bekannten

In der Elektroindustrie werden Isolierstoffe benö- 30 Verfahren gut bearbeitbare Isolierkörper herstellen,

tigt, die eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen Diese Körper sind aber empfindlich gegen Wasser, und

niedrigen elektrischen Verlustfaktor haben, gegen ihre elektrischen Eigenschaften sind in nassem Zustand

Temperaturwechsel und Feuchtigkeit beständig sind, schlecht. Durch eine Wärmebehandlung bei etwa

eine gute mechanische Festigkeit haben und sich leicht 1000⁰C wird Bornitrid gegen Oxydation bei hohen

bearbeiten lassen. Isolierwerkstoffe mit allen diesen 35 Temperaturen beständiger, aber eine solche Behand-

Eigenschaften sind bisher nicht bekannt. Als kerami- lung des Pulvers, die auch als Stabilisierung bezeichnet

sehe Isoliermaterialien werden meist Porzellan, Steatit- wird, beseitigt den ungünstigen Einfluß von Feuchtig-

porzellan, gesintertes Aluminiumoxid, geschmolzenes keit auf die elektrischen Eigenschaften nicht. Diesen

Siliciumdioxid und Borsilikatglas verwendet. Porzellan ungünstigen Einfluß schreibt man der Gegenwart von

hat einen hohen elektrischen Verlustfaktor und ist 40 Boroxid (B₂O₃) oder Stoffen zu, die durch Hydrolyse

gegen Temperaturwechsel nur wenig beständig. Steatit- Boroxid bilden. Anscheinend ist selbst nach der Stabi-

porzellan hat ebenfalls eine geringe Temperatur- lisierung von Bornitrid bei Gegenwart von Wasser

Wechselfestigkeit und wegen der Unbeständigkeit des Boroxid vorhanden.

Magnesiumsilikats bei Einwirkung von Feuchtigkeit Es wurde nun gefunden, daß durch die Rekristallisaschlechte elektrische Betriebseigenschaften. Geschmol- 45 tion von Bornitrid ein Produkt erhalten wird, in dem zenes Siliciumdioxid hat zwar gute elektrische Eigen- kein freies B₂O₃ vorkommt, selbst dann nicht, wenn schäften und ist gegen Temperaturwechsel unempfind- das Produkt 6 Tage der Einwirkung von siedendem lieh, ist aber auch sehr kostspielig und zerbrechlich. Wasser ausgesetzt ist. Die Rekristallisation kann durch Gesintertes Aluminiumoxid hat ebenfalls gute elek- Erhitzen des Bornitrids auf eine Temperatur von über trische Eigenschaften, aber eine geringere Temperatur- 5° 1800⁰C, vorzugsweise auf etwa 2000°C, aber unterhalb Wechselfestigkeit und ist ebenfalls kostspielig und zer- der Zersetzungstemperatur während einer Zeitspanne brechlich. Borsilikatglas ist gegen Wasser nicht be- erfolgen, die die Rekristallisation ermöglicht. Im allständig und verhältnismäßig bruchempfindlich. Alle gemeinen reicht eine Erhitzungsdauer von etwa genannten Stoffe sind schlecht bearbeitbar. Eine gute einer Stunde im unteren Teil des oben angegebenen Bearbeitbarkeit ist aber aus Gründen der Form- 55 Bereiches aus. Rekristallisiertes Bornitrid ist zwar, wie gebung und/oder der Einhaltung enger Toleranzen, oben ausgeführt, selbst bei längerer Einwirkung von die bei der Herstellung elektrischer Isolierkörper aus kochendem Wasser stabil, doch kann es nicht zu keramischen Werkstoffen gefordert werden, von gro- Isolierkörpern heiß verpreßt werden. Aus reinem ßer Bedeutung. Zwar kann man keramische Isolier- rekristallisiertem Bornitrid lassen sich also dielektrische körper auf Form schleifen, doch ist das schwierig, weil 60 Körper nicht herstellen.

die Werkstoffe dabei leicht brechen. Erfindungsgemäß können aber solche Isolieikörper Aufgabe der Erfindung ist es, einen Isolierkörper für durch Verwendung von Mischungen aus rekristallisierdie Elektroindustrie mit hoher Dielektrizitätskonstante, tem Bornitrid und Siliciumdioxid hergestellt weiden, kleinem elektrischen Verlustfaktor, guter Temperatur- Diese Körper haben eine Dielektrizitätskonstante von Wechselfestigkeit, guter mechanischer Festigkeit, guter 65 k ä> 4 bei 1 kHz und 25°C sowie einen elektrischen chemischer Beständigkeit gegen Wasser und guter Verlustfaktor von etwa 4· 10"¹. Die Körper werden Bearbeitbarkeit anzugeben, der sich zugleich billig von Feuchtigkeit nicht beeinflußt, sind hoch widerherstellen läßt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist standsfähig gegen Tempcraturwechsel und innerhalb