DE202014006209U1 - Carbon-containing composite material - Google Patents
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Abstract
Kohlenstoffhaltiger Verbundwerkstoff umfassend einen Kohlenstoffkörper und wenigstens eine SiC-Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine SiC-Schicht durch einen epitaktischen Aufwachsprozess auf den Kohlenstoffkörper aufgebracht worden ist.Carbon-containing composite material comprising a carbon body and at least one SiC layer, characterized in that the at least one SiC layer has been applied to the carbon body by an epitaxial growth process.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft einen kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoff umfassend einen Kohlenstoffkörper und wenigstens eine SiC-Schicht. Die Erfindung betrifft insbesondere Kohlenstoff/Graphit-Werkstoffe, wie z. B. Kohlenstofffaser verstärkter Kohlenstoff (CFC), die mit einer gas- und flüssigkeitsdichten SiC-Schicht über einen epitaktischen Aufwachsprozess versiegelt sind.The invention relates to a carbonaceous composite comprising a carbon body and at least one SiC layer. The invention particularly relates to carbon / graphite materials, such as. Carbon fiber reinforced carbon (CFC) sealed with a gas and liquid impervious SiC layer via an epitaxial growth process.
Technischer HintergrundTechnical background
Kohlenstoff basierte Werkstoffe, zu denen auch der Werkstoff CFC gehört, sind als Halterungen und Gestelle im Bereich der Härterei Stand der Technik. Nachteilig ist jedoch der direkte Kontakt der zu härtenden Bauteile mit dem Kohlenstoff basierten Material, da es zu Aufkohlungen, Kontaktreaktionen kommen kann, welche die metallischen Bauteile in ihren Eigenschaften negativ beeinflussen. Kohlenstoff basierte Werkstoffe wie CFC zeigen jedoch aufgrund ihrer gewebten Struktur ein sehr hohes Festigkeitsniveau bei gleichzeitig niedrigem Gewicht wodurch das Chargengewicht erhöht werden kann.Carbon-based materials, which include the material CFC, are state of the art as holders and frames in the field of hardening. However, a disadvantage is the direct contact of the components to be cured with the carbon-based material, since it can lead to carburizing, contact reactions, which negatively affect the metallic components in their properties. However, carbon based materials such as CFC, due to their woven structure, exhibit a very high level of strength coupled with low weight which can increase the batch weight.
Meist geht dem Härtungsprozess ein Reinigungsprozess vorher. Das Reinigen kann auf Kunststoffträgern erfolgen, wobei anschließend ein Umsetzen auf CFC-Träger zum Härten erfolgen muss. Um CFC auch im Reinigungsprozess nutzen zu können, muss der CFC-Werkstoff gas- und flüssigkeitsdicht versiegelt sein. Das notwendige Umsetzen könnte dann entfallen, wodurch ein wirtschaftlicherer Prozess ermöglicht wird.In most cases, the curing process is preceded by a cleaning process. The cleaning can be carried out on plastic carriers, with subsequent conversion to CFC carrier for curing must take place. In order to be able to use CFC also in the cleaning process, the CFC material must be gas- and liquid-tight sealed. The necessary implementation could then be eliminated, thereby enabling a more economical process.
Das Beschichten von Kohlenstoff/Graphit basierten Werkstoffen ist in der Technik bekannt. Die Beschichtung erfolgt in der Regel durch Bedampfen bzw. Infiltration mit Si und Umwandlung der oberflächennahen Schicht in SiC durch einen thermischen Prozess. Danach müssen weitere Schutzschichten aus SiC aufgebracht werden, um die Oberfläche gas- bzw. flüssigkeitsdicht zu verschließen. Als zusätzliche Oxidationsschicht kann eine SiO2 Schicht erzeugt werden. Bei diesen Prozessen werden die oberflächennahen Schichten des Kohlenstoff-Werkstoffes umgewandelt und verändert.The coating of carbon / graphite based materials is known in the art. The coating is usually carried out by vapor deposition or infiltration with Si and conversion of the near-surface layer in SiC by a thermal process. Thereafter, further protective layers of SiC must be applied in order to seal the surface gas- or liquid-tight. As an additional oxidation layer, an SiO 2 layer can be produced. In these processes, the near-surface layers of the carbon material are converted and changed.
So beschreibt
Als Vorteil der Umwandlung von Kohlenstoff im Oberflächenbereich in SiC wird in
Alternativ kann die Herstellung der Matrix gemäß
Ein bekannter alternativer Werkstoff ist faserverstärktes Aluminiumoxid, was jedoch bezüglich Herstellkosten und Festigkeit Nachteile gegenüber dem CFC Werkstoff zeigt.A known alternative material is fiber-reinforced aluminum oxide, which, however, shows disadvantages compared to the CFC material in terms of manufacturing costs and strength.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, kohlenstoffbasierte Werkstoffe, wie z. B. CFC, mit einer keramischen Schicht so zu versiegeln, dass
- a) ein direkter Kontakt mit einem Werkstück zu keinen chemischen Reaktionen führt,
- b) keine Flüssigkeit in den Werkstoff eindringen kann,
- c) die SiC-Schicht eine starke Haftung auf der Oberfläche des kohlenstoffbasierten Werkstoffs aufweist, und
- d) die Oberfläche des kohlenstoffbasierten Werkstoffs bei dem Aufbringungsprozeß der SiC-Beschichtung chemisch nicht verändert wird.
- a) direct contact with a workpiece does not lead to any chemical reactions,
- b) no liquid can penetrate into the material,
- c) the SiC layer has a strong adhesion to the surface of the carbon-based material, and
- d) the surface of the carbon-based material is not chemically altered during the deposition process of the SiC coating.
Diese und weitere Aufgaben werden durch den Gegenstand der Schutzansprüche gelöst.These and other objects are achieved by the subject matter of the claims.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Gelöst werden die oben beschriebenen Aufgaben durch einen kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoff umfassend einen Kohlenstoffkörper und wenigstens eine SiC-Schicht, wobei die wenigstens eine SiC-Schicht durch einen epitaktischen Aufwachsprozess auf den Kohlenstoffkörper aufgebracht worden ist.The objects described above are achieved by a carbonaceous composite comprising a carbon body and at least one SiC layer, wherein the at least one SiC layer has been applied to the carbon body by an epitaxial growth process.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Durch ein epitaktisches Aufwachsen von SiC können poröse Strukturen gas- und flüssigkeitsdicht versiegelt werden. Dabei zeigt die Schicht eine starke Haftung mit der versiegelten Oberfläche auf, die durch den Prozess nicht chemisch verändert wird. Die ursprünglichen Kohlenstoffkörperstrukturen, beispielsweise CFC-Strukturen, bleiben dabei unverändert erhalten.By epitaxial growth of SiC porous structures can be gas-tight and liquid-tight sealed. The layer shows a strong adhesion with the sealed surface, which is not chemically altered by the process. The original carbon body structures, such as CFC structures, remain unchanged.
Für verschiedene Härtereiverfahren, wie z. B. Vakuumhärten, Ölbadhärten, Carbonisieren, Carbonitrieren und verwandte Verfahren werden Trägerplatten und Chargiergestelle verwendet. CFC Chargiergestelle sind hierbei Stand der Technik, wobei die Trägerplatten aus metallischen Werkstoffen bestehen, mit einem deutlich höheren Eigengewicht gegenüber CFC. Durch die erfindungsgemäße Aufbringung der SiC-Schutzschicht beispielsweise auf CFC Trägerplatten können diese die metallischen Trägerplatten ersetzen und Gewicht eingespart werden.For various hardening processes, such. Vacuum curing, oil bath curing, carbonation, carbonitriding and related processes, support plates and charging racks are used. CFC charging racks are state of the art in this case, the carrier plates being made of metallic materials, with a significantly higher dead weight compared to CFC. The inventive application of the SiC protective layer, for example on CFC carrier plates, these can replace the metal carrier plates and weight can be saved.
Ein besonderer Fall ist das Ölbadhärten. Hierbei nehmen die CFC-Chargiergestelle bei jedem Zyklus Öl auf. Dieses Öl muss vor dem nächsten Zyklus ausgebrannt werden. Dies führt nicht nur zu einer Umweltbelastung sondern auch zu einer Verteuerung des Gesamtprozesses. Dieser notwendige Reinigungszyklus führt zu einer Verkürzung der Standzeit. Durch die Beschichtung der Komponenten der Chargiergestelle mit der erfindungsgemäßen Schicht kann dieser Zyklus eingespart werden.A special case is oil bath hardening. Here, the CFC charging racks absorb oil every cycle. This oil must be burned out before the next cycle. This not only leads to an environmental impact but also to an increase in the price of the overall process. This necessary cleaning cycle leads to a shortening of the service life. By coating the components of the charging racks with the layer according to the invention, this cycle can be saved.
Bei der Fertigung von Metallbauteilen (Drehen, Fräsen, Schleifen usw.) werden in der Regel ölhaltige Emulsionen verwendet. Diese Rückstände müssen durch einen Reinigungsprozess vor dem Härten entfernt werden. Daher dürfen die notwendigen Trägersysteme keine Flüssigkeitsaufnahme zeigen. CFC ist aus den oben genannten Gründen hier zurzeit nicht nutzbar. Durch die erfindungsgemäße Versieglung wird dieser Prozess auch für CFC Werkstoffe erschlossen. Ein weiterer Vorteil liegt zusätzlich darin, dass die Bauteile für den folgenden Härtungsprozess nicht mehr umgesetzt werden müssen.In the production of metal components (turning, milling, grinding, etc.) oily emulsions are usually used. These residues must be removed by a cleaning process before curing. Therefore, the necessary carrier systems must not show fluid absorption. For the reasons mentioned above, CFC is currently not usable here. As a result of the sealing according to the invention, this process is also developed for CFC materials. Another advantage lies in the fact that the components for the following curing process no longer need to be implemented.
Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft einen kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoff umfassend einen Kohlenstoffkörper und wenigstens eine SiC-Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine SiC-Schicht durch einen epitaktischen Aufwachsprozess auf den Kohlenstoffkörper aufgebracht worden ist.The present invention relates to a carbonaceous composite comprising a carbon body and at least one SiC layer, characterized in that the at least one SiC layer has been applied to the carbon body by an epitaxial growth process.
In einer bevorzugten Ausführungsfrom umfasst der Kohlenstoffkörper Kohlenstoffaser verstärkten Kohlenstoff (carbon fiber reinforced carbon = CFC). Kohlenstofffaser verstärkte Kohlenstoffe sind Werkstoffe, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen. CFC-Werkstoffe bestehen aus Kohlenstoff- oder Graphitfasern von nur wenigen ca. 50 μm Durchmesser, die in einer Matrix aus reinem Kohlenstoff eingebettet sind. Sie verleihen dem Werkstoff seine hohe mechanische Stabilität, während die Matrix aus Kohlenstoff von außen wirkende Kräfte aufnimmt und im Gefüge verteilt.In a preferred embodiment, the carbon body comprises carbon fiber reinforced carbon (CFC). Carbon fiber reinforced carbons are materials that are made entirely of carbon. CFC materials consist of carbon or graphite fibers of only a few 50 μm in diameter, which are embedded in a matrix of pure carbon. They give the material its high mechanical stability, while the matrix of carbon absorbs external forces and distributes them in the microstructure.
Dank der außergewöhnlich hohen chemischen und thermischen Beständigkeit eignet sich CFC-Material für Einsätze, bei denen Kontakt mit hochkorrosiven, heißen Medien besteht. Ein Beispiel hierfür sind die Tragroste für Rektifikationskolonnen zur Flusssäurerückgewinnung. Auch die extrem hohe Reinheit von CFC-Werkstoffen kann für manche Anwendungen eine große Rolle spielen. In der Halbleiterindustrie etwa bestehen die Stützen der Tiegel im Kristallziehverfahren aus CFC-Material.Thanks to its exceptionally high chemical and thermal resistance, CFC material is suitable for use in contact with highly corrosive, hot media. An example of this are the support grids for rectification columns for hydrofluoric acid recovery. The extremely high purity of CFC materials can also play a major role in some applications. In the semiconductor industry, for example, the supports of the crucibles in the crystal pulling process consist of CFC material.
In einer Ausführungsform weist der erfindungsgemäße kohlenstoffhaltige Verbundwerkstoff die Form einer Trägerplatte oder eines Chargiergestells auf, wie sie z. B. im Ölbadhärten zum Einsatz kommen.In one embodiment, the carbonaceous composite according to the invention in the form of a support plate or a charging frame, as z. B. in oil bath hardening are used.
Erfindungsgemäß erfolgt das epitaktische Aufwachsen vorzugsweise durch chemische Gasphasenepitaxie, insbesondere durch chemische Gasphasenabscheidung. Hierbei wird das aufzuwachsende Material in Form von Gas oder Gasgemischen zum Kohlensstoffkörper transportiert und dort umgesetzt. Durch Zersetzung von Silan (SiH4) oder Reduktion von Siliciumchloriden mit Hilfe von Wasserstoff entsteht an der Oberfläche des Kohlenstoffkörpers Silicium, das dort aufwächst. Normaldruckverfahren benötigen Wasserstoff als Trägergas. Bei Niederdruckverfahren ist kein Trägergas erforderlich, und die benötigte Gasmenge ist geringer.According to the invention, the epitaxial growth is preferably carried out by chemical vapor phase epitaxy, in particular by chemical vapor deposition. Here, the material to be grown is transported in the form of gas or gas mixtures to the carbon body and implemented there. By decomposition of silane (SiH 4 ) or reduction of silicon chlorides with the help of hydrogen, silicon is formed on the surface of the carbon body, which grows there. Normal pressure processes require hydrogen as the carrier gas. In low pressure processes, no carrier gas is required and the amount of gas required is less.
Als Ausgangsstoffe für das obige Verfahren werden vorzugsweise chlorhaltige Carbosilane mit der chemischen Formel CnH2n+1SinCl2n+1 sowie H2 verwendet werden. Als besonders vorteilhaft haben sich als Ausgangsstoffe Methyltrichlorsilan und H2 erweisen. As starting materials for the above process are preferably chlorine-containing carbosilanes having the chemical formula C n H 2n + 1 Si n Cl 2n + 1 and H 2 can be used. Methyltrichlorosilane and H 2 have proven to be particularly advantageous as starting materials.
Die Schichtdicke der SiC-Schicht auf dem erfindungsgemäßen kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoff beträgt etwa 20–100 μm, bevorzugt ungefähr 60 μm.The layer thickness of the SiC layer on the carbonaceous composite material according to the invention is about 20-100 microns, preferably about 60 microns.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 3920450 A1 [0005, 0006] DE 3920450 A1 [0005, 0006]
- DE 10161218 A1 [0007, 0008] DE 10161218 A1 [0007, 0008]
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- 2014-07-30 DE DE201420006209 patent/DE202014006209U1/en not_active Expired - Lifetime
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