DE1471172A1

DE1471172A1 - Verfahren zur Herstellung von Formkoerpern aus pyrolytischem Graphit oder Bornitrid,sowie Vorrichtung zu dessen Durchfuehrung

Info

Publication number: DE1471172A1
Application number: DE19631471172
Authority: DE
Inventors: Diefendorf Russel Judd
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1962-06-01
Filing date: 1963-05-30
Publication date: 1968-12-05
Also published as: GB991681A

Description

den 29. Mai 1963

DR. GERHARD RATZEL PATENTANWALT

Postscheckkonto· Frankfurt/M. Nr. 8293 B α β k. Deutsche Bank Mannheim Nr. 35695

GENEBAI ELECTHIC COMPAMY 1 River Road Schenectady, New York/CFSA.

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern

aus pyrolytischem graphit oder Bornitrid^sowie Vorrichtung zu dessen Durchführung.

■«■«Μ·! el·»«Μα··mm■«·>■·*■·»■■<■■·mm MfMr «■»·■»■·-·■·aaalaBaraW BBBraav^BXBBBaBBteaBaaBBiaiBiaiB»·^^-^at wat M^ta**« an···*

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von Formkörpern und insbesondere auf die Herstellung von Formkörpern aus Körpern, die aus pyrolytischem Graphit oder Bornitrid bestehen.

Pyrolytiecher Graphit wird als ein Material definiert, welches aus kohlenstoffhaltigen Gasen durch thermische Zersetzung oder durch Bildung von kohlenstoffhaltigen Material durch Verdampfung und Ablagerung auf einer Oberfläche gebildet wird. Im pyrolytischen Graphit besitzen die planaren Graphitkristall!te eine bevorzugte Orientierung und sind so arrangiert, dass ihre Lagen im allgemeinen parallel zur Ablagerungsoberfläche liegen. Solcher Graphit wurde auf Temperaturen im Bereioh von 250O⁰C bis 320O⁰C erhitzt, zum Zwecke der Erhöhung der bevorzugten Orientierung und kristallinen Vervollkommnung des Materials. Eine solche Erhitzung ergab als folge eine Verbesserung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, der Dichte und des elastischen Moduls.

Es wäre nun wünschenswert, bessere Verfahren zur Bildung von Formkörpern aus Körpern vorzuschlagen, die aus pyrolytischem Graphit oder pyrolytischem Bornitrid bestehen. Solche Formkörper könnten die Form ron Platten, Pollen, dünner Filme oder von Membranen besitzen. Diese Formkörper bzw. Artikel könnten als gasundurchlässige Membranen, als Sinwickelmaterial umd als Säcke verwendet werden.

BAD ORIGINAt

809811/0092

- Blatt 2 -

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Körper der aus pyrolytischem Graphit oder pyrolytisohem Bornitrid besteht, als dessen Ergebnis ein Artikel erhalten wird, der eine bessere kristalline Perfektion, eine bevorzugte Orientierung und weniger schwächende Strukturdeffekte aufweist. Es ist ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Körper vorzuschlagen, der aus pyrolytischem Graphit oder pyrolytischem Bornitrid besteht.

Eb 1st ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur Formung eines getemperten Artikels mit einer stärker perfekt orientierten Struktur vorzuschlagen.

Ee ist ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung, einen Artikel aus einem Körper herzustellen, der aus pyrolytischem Graphit oder pyro-Iytischest Bornitrid besteht. Bei der Durchführung vorliegender Erfindung in einer Form umfasst eine Verfahrensweise zur Formung der Artikel die Schaffung eines Körpers, der aus pyrolytischem Graphit besteht und die Aussetzung dieses Körpers einer Temperatur von zumindest 350O⁰O, wodurch der Körper in einen getemperten Artikel mit einer stärker perfekt orientierten Struktur verwandelt wird.

Diese und andere Ziele, Ausführungsformen und Vorteile vorliegendem Erfindung sollen anhand der folgenden Beschreibung weiter erläutert werden, die im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung zu lesen ist. In der Zeichnung bedeutet Figur 1 einen Schnitt der Vorrichtung zur Herstellung des Formkörpers. Figur 2 zeigt einen Aufriss eines Körpers, der ursprünglich in der Vorrichtung gemäss Figur 1 hergestellt wurde. Figur 3 zeigt einen Schnitt eines Teils der Vorrichtung zur Herstellung eines Artikels gemäss vorliegender Erfindung.

In Figur 1 ist die Vorrichtung allgemein mit 10 bezeichnet, welch· •ine Kammer 11 aufweist mit einem unteren Bodenanteil 12 und einem

80981 1/0992

-3-

Blatt 3 -

Deckel 13, der mittels Bolzen 14 an den unteren Teil12 der Vorrichtung angelenkt ist, wobei ein «O^M-Eing 15 dazwischen angeordnet iet. Ein Klarsichtfenster 16 ist im Deckelanteil 13 vorgesehen, um die Operation beobachten zu können und um einen nicht gezeichneten optischen Pyrometer ablesen zu können. Ein Futter aus Graphit oder einem anderen hochtemperaturfesten Material umschliesst eine Kaamer 18, die mit einer Bodenöffnung 19 und einer Deckenöffnung 20 versehen ist. Eine Versorgungsleitung 21 ist mit einer nicht gezeichneten Quelle yon kohlenstoffhaltigem Material verbunden und erstreckt sich von dort durch die Bodenwand des Vorrichtungeteils 12 zur Öffnung 19 und von dort zum Putter 17 zum Zwecke der Verbindung mit der Kammer 18 vermittele Auslassöffnungen 22. Die Öffnung 20 der Umhüllung 17 ist mit einer Bedeckung 23, die Öffnungen 24 zur Entfernung von Bauch aufweist, versehen.

Ein Paar Qraphitplatten hängen innerhalb des Putters 17, wobei

sich jeweils ein Plansch 26 an einem Ende der Platten 25 befindet. Der Plansch 26 jeder Platte 25 wird von der Bedeckung 23 getragen, während die Platte 25 sich durch eine Öffnung 27 in der Bedeckung 23 erstreckt um in der Kammer 18 des Putters 17 aufgehängt zu sein. Zwischen den benachbarten Platten 25 und zwiechen jeder Platte 25 und der benachbarten Wand 17 sind Durchlässe 28 in der Kaamer 17 vorhanden. Eine geeignete Isolierung wie beispielsweise aus Buss 29 umgibt das Putter 17 und wird durch einen Quartz- oder Asbeetpapierzylinder 30 in seiner Lage gehalten. Konventionelle Induktionsheizspulen 31 umgeben die Zylinder 29 um die Hitze für das Putter 17, die Platten 25 und die Kammer 18 eineohlieeelich derea. Durchlässe 28 während des Ablagerungsprozesses zu erzeugen. Der Vorrichtungeteil 12 der Kaamer 11 ist auch mit einem Auslass 32 versehen, mit welchem eine Leitung 33 verbunden ist, die mit einer Vakuumpuape 34 zusammenarbeitet, um den Druck in der Kammer 12 zu reduzieren. Bei dem Betrieb der in Pigur 1 ge-

809811/0992

-4-

- Blatt 4 -

zeigten Vorrichtung 10 hängt ein Paar aus Graphitplatten 25, die durch ihre entsprechenden Plansche 26 an der Bedeckung 23 aufgehängt sind, innerhalb dee Putters 17- Auf diese Weise werden Durchlässe 28 in der Kammer 18 zwischen den benachbarten Platten 25 und zwischen jeder Platte 25 und der ihr benachbarten Wand des Putters

17 geschaffen. Die Bedeckung 13 1st mit dem unteren Vorrichtungsteil 12 der Kammer 11 mittels Bolzen verbunden. Die Atmosphäre der Kammer ist vorzugsweise auf das geringste erzielbare Vakuum reduziert, bevor ein Gas zugeführt wird, wenngleich der Ablagerungeprozess innerhalb eines weiten Bereichs an Kammerdrucken durchgeführt werden kann, beispielsweise innerhalb eines Bereichs von 0,5 mm bis 76 mm Quecksilber, wobei auch die Geschwindigkeit des zugeführten Gases variiert werden kann. Sodann wird der Induktionsspule 31 Energie zugeführt, um die Temperatur des Putters 17, der Platten 25 und der Kammer 18 auf einen Wert im Grössenordnungsbereich von 2000⁰C bis 250O⁰C zu bringen, bevor Gas zugeführt wird. Sin kohlenstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise Methan, wird durch geeignet bemessene Vorrichtungen, die nicht gezeichnet sind und durcl die Versorgungsleitung und ihren Auslassöffnungen 22 in die Kammer

18 einschliessllch der Durchlässe 28 eingeführt. Das kohlenstoffhaltige Gas wird zu einem Kohlenstoffdampf zersetzt, der sich auf den Platten 25 und dem Putter 17 absetzt. Dieser Temperaturbereich und der vorgenannte Druokbereich ist erwünscht um einen fein gekörnten pyrolytischen Graphitkörper zu erhalten, der möglichst von ungewöhnlich grossen Gasphasen-kernigen Partikelohen frei ist, welche eine MikroStruktur hervorrufen, weiche als rauhkörnig, als kontinuierlich gekernt oder als hochregenerativ bezeichnet wird. Solche grossen Körnungen wirken störend auf den Temperprozese und auf die Helssbearbeitung ein.

Während die Induktionsspule 31 dazu verwendet wird, das kohlenstoffhaltige Oas, das Putter 17, die Platten 25 und die Durchlässe 28 zu erhitzen, kann das kohlenstoffhaltige Gas von einer separaten Wärme-

809811/0992

-ς-

- Blatt 5 -

quelle auf die gewünschte Temperatur vorgeheizt werden, um einen Kohlenstoffdaiapf zu erzeugen, der durch die Versorgungsleitung 21

in die Kammer 18 strömt. Während des Betriebe der Vorrichtung 10, werden die Temperaturen durch einen nicht gezeichneten optischen Pyrometer aufgezeichnet, der durch ein Fenster 16 in der Bedeckung 13 der Vorrichtung 10 betrachtet wird.

Nachdem die gewünschte Dicke des pyrolytischen Graphitkörpere in der Grössenordnung von 10 Mil bis 100 Mil auf jeder Seite jeder Platte 25 abgelagert ist, wird die Methanzuführung und die Erhitzung unterbrochen und die Vorrichtung 10 auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Der Druck wird auf Atmosphärendruck erhöht, die Bedeokung 13 wird entfernt um einen Zugang zum futter 17 zu schaffen. Die Platten 25 werden vom Futter durch Herausziehen durch die Öffnungen 27 der Bedeckung 23 entfernt. Sodann wird der pyrolytische Graphitkörper von jeder Seite jeder Platte 25 entfernt. In Figur 2 der Zeichnung ist ein pyrolytischer Graphitkörper 35 dargestellt, der ursprünglich in der Vorrichtung gemäßs Figur 1 hergestellt wurde. Der Körper 35 besitzt die Form eines Blatts. In Figur 3 der Zeichnung ist ein Teil der Vorrichtung zur Bildung eines Formkörpers aus einem Körper der aus pyrolytischem Graphit oder pyrolytischem Bornitrid besteht, gezeigt. Dieser Aufbau umfasst ein Futter 36, welches aus handelsüblichem Graphit 37 mit einer Schicht aus pyrolytischem Graphit

38 an beiden Oberflächen besteht. Das Futter 36 bildet eine Kammer 39i die eine obere Öffnung 40 aufweist, die durch eine Bedeckung 41 mit einem Überzug aus pyrolytischem Graphit 42 abgeschlossen ist. Die Bedeckung 41 hat eine zentrale öffnung, in weiche eine Graphitröhre 43 hineinragt und sich nach aussen über die Bedeckung 41 erstreckt. Der Boden der Bedeckung 41 trägt ein Paar Klappen 44. Jede diese Klammern 44 hält einen pyrolytischen Graphitkörper 35 in der Kammer 39. Das Futter 36 ist hier beispielsweise anstelle des Futters 17 und der Versorgungslinie 21 des in Figur 1 dargestellten Apparats

809811/0992

-6-

- Blatt 6 -

10. Wenn es gewünscht ist, kann der Körper 35 in Blattform oder einer anderen Form auf einem Unterstützungsglied_f welche» im Futter 36 angeordnet ist, ruhen. Wenn ein Körper in einer anderen. Form als in Blattform verwendet wird, kann es wünschenswert sein, ein Gewicht gegen den Körper auf dem Unterstützungsglied zu setzen, um den Körper in seiner Form während des folgenden Temperas zu halten. Bin Häufchen aus spektroskopischem Kohlenstoffpulver 46 iet auf der Bodenwand des Putters 36 vorhanden,um Material zum Verschliessen der Rühre 43 zu besitzen. Eine Versorgungslinie 45 ist mit einer Argonquelle oder einer Quelle für ein Inertgas, weiche nicht gezeichnet ist, verbunden und erstreckt sich von dort durch, die Bodenwand des Vorrichtungsteile 12 zum Zweoke der Verbindung mit der Kammer 11.

Beim Betrieb der Ausführungsform der Figur 3, die eine Modifizierung der Ausführungsform der Figur 1 darstellt, wird der Induktionsspule 31 aiergie zugeführt, um die Kammer 39 und die Körper 35 auf eine Temperatur von zumindest 3500 C und vorzugsweise auf eine Temperatur im Grössenordnungsbereich von 350O⁰C bis 3800⁰C anzuheizen. Argongas oder efta. Inertgas wird durch die Versorgungslinie 45 der Kammer 11 zugeführt. Das Gas zirkuliert durch die Kammer 11 und über die Graphitröhre 43 in die Kammer 39· Am Anfang wiesen sowohl Kammer als auch Kammer 39 einen unteratmosphärischen Druck auf.

Wenn der erhöhte Temperaturbereich erreicht und eingehalten wird, verdampft das Pulver 46 und kondensiert auf der inneren Oberfläche der Röhre 43, wodurch die Kammer 39 verschlossen wird. Der pyrolytische Graphitüberzug 37 auf der Oberfläche des Futters 36 und der Überzug 42 auf der Bedeckung 41 verhindern, dass das Futter und die Bedeckung bei diesen erhöhten Temperaturen verdampfen. Nachdem die Röhre 43 verschlossen ist, wird der Druck innerhalb der Kammer auf annähernd Atmosphärendruck eingestellt. Die erhöhten Temperature» führen jeden Körper 35 in einen getemperten Graphitkörper mit einer

809811/0992 __?_

- Blatt 7 -

stärker perfekt orientierten Struktur über. Nach der Umformung des Körpers .35 wird die Erhitzung unterbrochen und die Vorrichtung auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Die Argonatmosphäre wird aus der Kammer 11 entweichen gelassen und die Vorrichtung auseinandergebaut. Die getemperten Graphitkörper werden vom Futter 36 getrennt.

Im pyrolytischen Graphit haben planare Graphitkristallite eine bevorzugte Orientierung und sind so arrangiert, dass ihre Lagen im allgemeinen parallel zur Ablagerungsoberfläche liegen. Solcher Graphit wurde auf Temperaturen des Grössenordnungsbereichs von 2500⁰C bis 3200⁰C erhitzt, um die bevorzugte Orientierung und die kristalline Perfektion des Materials zu verbessern. Das Tempern eines pyrolytischen Graphitkörpers in diesem Temperaturbereich führt zu einer Expansion in allen Richtungen in der Ebene der Ablagerung, verbunden mit einer Reorientierung der Kristalle. Ein solches Tempern führt zu einer teilweisen geraden Richtung der Ebenen.

Es wurde gefunden, dass das Tempern eines pyrol^tischen Graphitkörpers bei einer Temperatur von zumindest 3500 G und vorzugsweise bei einer Temperatur im Grössenordnungsbereich von 350O⁰C bis 3800 C oder das Tempern einesjyrolytischen Bornitridkörpers bei einer Temperatur von zumindest 2600⁰C und vorzugsweise bei einer Temperatur im Grössenordnungsbereich von 2600⁰C bis 2900⁰C einen Körper ergibt, der sich durch eine verbesserte kristalline Perfektion, durch eine bevorzugte Orientierung und durch geringere schwächende Strukturdefekte auszeichnet.

Es wurde ferner gefunden, dass diese Temperung zu einem vollständigen Geraderichten der Ebenen führt.

Ein solcher Körper wird daduroh gebildet, dass ein Körper, der aus pyrolytischem Graphit oder pyrolytisohem Bornitrid besteht, erzeugt,

80981 1/0992

- Blatt 8 -

Tjartex· aus cTali.es send er Behandlung dieses Körpers mit stark erhöhter Temperatur, wobei äer Körper in einen getemperten Körper mit stark perfekt orientierter Struktur übergeführt wird.

Bin noch wünschenswerterer Körper wird aus pyrolytischem Graphit oder einen pyrolytiechen Bornitridkörper gebildet, der eo frei wie möglich ist von ungewöhnlich groseen gaephasenkernigen Partikelchen welche eine rauhkörnige kontinuierlich gekörnte Mikrostruktur schaffen, ^ie Ebenen des pyrolytischen Graphitkörpers haben eine bevorzugte Orientierung mit Ebenen, die der Ebene der Ablagerung parallel verläuft. Wenn der pyrolytische Graphitkörper einer Temperatur von zumindest 350O⁰C oder der pyrolytische Bornitridkörper einer Temperatur von zumindest 2600⁰G unterworfen wird, steigert sich die bevorzugte Orientierung mit dem Ergebnis einer stärker perfekt oder im wesentlichen völlig perfekt orientierten Struktur. Die Orientierung des resultierenden Körpers, der in Übereinstimmung mit dem Verfahren vorliegender Erfindung hergestellt

wird,ist der eines Einkristalls aus diesem Material ähnlich, ferner ist der Körper durch eine hohe Festigkeit und Duktilität beim Biegen ausgezeichnet.

Ein Beispiel der Verfahrensweise der Herstellung eines Körpers, bzw. eines Formkörpers aus pyrolytischem Graphit geaäss vorliegender Erfindung wird im folgenden gegeben:

Beispiel

Es wird die Vorrichtung genäse Figur 1 der Zeichnung errichtet, wobei sowohl das Futter als auch die Platten aus handeleüblichem Graphit zusammengesetzt sind. Die Bedeckung wird auf dem Unterteil . der Vorrichtung befestigt und die Kammeratmosphäre auf einen Druck von 0,001 Quecksilber vermittele einer Pumpe reduziert. Sodann wird der Induktionsspule Energie zugeführt, um eine Erhitzung des Futtere

- Blatt 9 -

der Glieder und der Durchlässe zu bewirken, bis ein unkorregierter optischer I^rometer eine Temperatur von etwa 2300 C anzeigt. Sodann wurde ein kohlenstoffhaltiges Gas in Form von Methan mit einer Geschwindigkeit von 33 Kubikfuss pro Stunde durch die Versorgungsleitung dem Putter zugeführt. Das Gas verwandelt sich innerhalb dee Putters in Kohlenstoffdampf, welcher sich gleichförmig auf beide Glieder und auf die Innenwände des Putters niederschlagen, wenn es durch die gefütterte Kammer bei einem Druck von etwa 18 mm Quecksilber flieset. Nach 3 Stunden wird die Energiezuführung und der Gasflues abgestellt und Atmosphärendruck in der Kammer wieder hergestellt. Nach Abkühlung auf Baumtemperatur wird der Kammerdeckel entfernt. Die Platten, welche mit pyrolytischen Graphitkörper auf beiden Seiten bedeckt sind, werden vom Putter entfernt. Der pyrolytische Graphitkörper wird von jeder Oberfläche eines jeden Blatts entfernt und hat eine Dicke von 70 Mil.

Zwei pyrolytische Graphitkörper des in Pigur 2 dargestellten Typs, weiche in der Vorrichtung gemäes Pigur 1 hergestellt wurden, werden innerhalb eines Putters, wie dies in Pigur 3 gezeigt ist, angeordnet und in der Vorrichtung, die in Pigur 1 offenbart ist, vorgesehen.

Der Körper wird einer Temperatur von 360O⁰C eine Stunde lang in einer Atmosphäre aus Argon behandelt. Sodann wird die Wärmezufuhr unterbrochen und die Vorrichtung auf Baumtemperatur abkühlen gelassen. Der pyrolytische Graphitkörper, welcher von dem Putter getrennt wird, erzeugte einen getemperten Graphitkörper mit einer stärker perfekt orientierten Struktur.

Während andere Modifikationen dieser Erfindung und Variationen der Verfabensweiee dieser Erfindung durchgeführt werden können,

809811/0992

- Blatt 10 -

die in den Umfang der Erfindung fallen und nicht beschrieben wurden, soll die Erfindung auch diese Ausführungsformen umfassen, die von den folgenden Ansprüchen umfasst werden.

-11-

809811/0992

Claims

- Blatt 11 -

Patentansprüche

Verfahren zur Herst ellung eines Körpers bzw. Iormkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass ein Körper der aus pyrolytischem Graphit besteht, hergestellt wird und dass dieser Körper einer Temperatur von zumindest 350O⁰G unterworfen wird, wobei dieser in dnen getemperten Körper mit einer stärker perfekt orientierten Struktur übergeführt wird.

Verfahren zur Herstellung eines Körpers, dadurch gekennzeiohnet, dass ein Körper der aus pyrolytischem Graphit besteht, bei dner Temperatur im Grössenordnungsbereich von 2000 bis 2500⁰O abgelagert wird und dass dieser Körper einer Temperatur von zumindest 350O⁰O unterworfen wird, wobei er in einen getemperten Körper mit stärker perfekt orientierter Struktur übergeführt wird.

Verfahren zur Herstellung eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, dass ein Körper hergestellt wird, der aus pyrolytischem Bornitrid besteht und dass dieser einer Temperatur von zumindest 2600⁰C ausgesetzt wird, wobei er in einen getemperten Körper mit stärker perfekt orientierter Struktur übergeführt wird.

Verfahren zur Herstellung eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, d*es ein Körper, der aus pyrolytischem Bornitrid besteht, bei einer Temperatur im Gröesenordnungebereioh von 1200⁰C bis 2200⁰C abgelagert wird und dass dieser Körper einer Temperatur von zumindest 2600⁰C ausgesetzt wird, wobei dieser in einen getemperten Körper mit einer stärker perfekt orientierten Struktur übergeführt wird.

8 0 9-811/0992

- Blatt 12 -

5.) Körper bzw. [Formkörper, dadurch gekennzeichnet, daee er naoh der Verfahr «anreise des Anspruchs 1 hergestellt ist.

6.) Körper bzw. formkörper, daduroh gekennzeichnet, dass er naok der Verfakremeweiee de« Anspruchs 3 hergestellt ist.

BAD ORJGlNAL 809811/0992