DE2419175A1 - Verfahren zum herstellen eines faserverstaerkten silizium-verbundartikels - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines faserverstaerkten silizium-verbundartikelsInfo
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Description
Dr. Horst Schüler
Patentanwalt
6 Frankfurt/Main 1
6 Frankfurt/Main 1
Niddastr. 52
19. April 1974 Dr. Sb./es.-ro
2557-RD-59OO
GENERAL ELECTRIC COMPANY
1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.
Schenectady, N.Y., U.S.A.
Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Silizium-Verbundartikels
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Verbundartikels und insbesondere ein Verfahren
zum Herstellen eines Silizium-Verbundartikels, der durch eine Vielzahl langgestreckter Siliziumcarbid-Fäden verstärkt ist.
Artikel aus Silizium und insbesondere verstärkte Siliziumartikel
sind für die Herstellung verschiedener Teile brauchbar, die hohen Betriebstemperaturen und den bei solchen Temperaturen auftretenden
Belastungen widerstehen können. Auch Siliziumcarbid-Artikel sind für solche Anwendungen brauchbar. Es sind auch bereits
Siliziumcarbid-Artikel mit geschmolzenem Silizium infiltriert worden, um deren Eigenschaften zu verbessern.
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So ist z.B. in der US-Patentschrift 2 431 327 ein hochtemperaturbeständiger
Artikel und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Artikels beschrieben, bei dem eine Mischung aus fein zerteiltem
Kohlenstoff und fein zerteiltem Silizium zusammengeformt
sind. Das Produkt ist vollständig oder teilweise aus Siliziumkarbid
zusammengesetzt, das die Form sehr kleiner Kristalle hat. Nach einem in der US-Patentschrift 2 431 326 beschriebenen Verfahren
wird ein poröser Kohlenstoffkörper den Dämpfen elementaren Siliziums bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes
des Siliziums ausgesetzt, um eine poröse Struktur aus Siliziumcarbid und Siliziummetall zu bilden. In der US-Patentschrift
3 035 325 ist ein Verfahren zum Herstellen von Siliziumcarbid-Körpern
beschrieben, bei dem ein Artikel aus Silizlumcarbid geschmolzenem
Silizium ausgesetzt wird. Die US-Patentschrift 3 459 842 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziummatrix mit Siliziumcarbid-Fasern (whiskers) darin durch gemeinsames
Erhitzen von Siliziumcarbid-Fasern und teilchenförmigen!
Silizium.
Gegenüber den bekannten Verfahren zum Herstellen von Siliziumcarbid
und Siliziumcarbid- und Siliziumprodukten betrifft die
vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Verbundstoffes,
bei dem von einer Vielzahl von Kohlenstoff- oder Graphitfäden oder einer Mischung beider ausgegangen wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines
Silizium-Verbundartikels wird eine Vielzahl von langgestreckten
Fäden geschaffen, ausgewählt aus Kohlenstoffäden, Graphitfäden oder einer Mischung von beiden und diese Fäden werden mit geschmolzenem
Silizium bei einer Temperatur im Bereich von 1410 bis 1800 C in einer inerten Atmosphäre in Berührung gebracht,
um einen durch fadenförmiges Siliziumcarbid verstärkten Silizium-Verbundartikel
zu bilden.
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Diese und andere Aufgaben. Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung -werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Silizium-Verbundartikels, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
ist und
Figur 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Silizium-Verbundartikels.
In Figur 1 ist allgemein mit 10 ein nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellter Silizium-Verbundartikel in Form eines
Stabes 11 gezeigt. Der Stab 11 umfaßt eine Silizium-Matrix und eine Vielzahl darin eingebetteter Siliziumcarbid-Fäden.
Figur 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren erhaltenen Silizium-Verbundstoffes. Der Silizium-Verbundstoff 10 ist auch in Form eines Stabes 11
gezeigt, der eine Vielzahl von langgestreckten Siliziumcarbid-Fäden 12 enthält. Siliziummeta11 13 umgibt und haftet an den
Fasern 12. Darüber hinaus umgibt Silizium-Metall das Äußere einer Vielzahl von Bündeln von Fäden 12 und schafft so eine Oberfläche
des Stabes 11 aus Silizium-Metall 13.
In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß man einen
Silizium-Verbundartikel herstellen kann, der durch eine Vielzahl langgestreckter Siliziümcarbid-Fäden verstärkt ist, indem man
von einer Vielzahl von Kohlenstoff- oder Graphitfäden oder einer Mischung beider, ausgeht. Solche Fäden sind in Form von Bündeln
erhältlich, wobei jedes Bündel viele einzelne Kohlenstoffäden aufweist. So sind z.B. Bündel aus 10.000 langgestreckten Kohlenstoffäden
unter den Bezeichnungen "Morganite I" und "Morganite II··,
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die von der Whittaker Corporation, hergestellt werden, käuflich
erhältlich. Außerdem sind solche langgestreckten Kohlenstoffäden
in Bündeln mit etwa 1000 Kohlenstoffäden unter der Bezeichnung
"WYK-Zöpfe" OVYK braids) von der Union Carbide Corp.,
New York, erhältlich.
Eine Vielzahl der oben beschriebenen langgestreckten hochfesten
Kohlenstoffäden wird mit geschmolzenem Silizium bei einer Temperatur im Bereich von 1410 bis IROO0C in Berührung gebracht. Während
dieses Kontaktes mit dem geschmolzenen Silizium wird um die Kohlenstoffasern und das geschmolzene Silizium herum eine
Inertgas-Atmosphäre oder ein Vakuum geschaffen. Es wurde festgestellt,
daß man bei einem 1 - 15-minütigen Inberührungbringen der Kohlenstoffäden mit geschmolzenem Silizium diese wirksam in
Siliziumcarbid-Fäden umwandeln und diese Siliziumcarbid-Fäden
mit Silizium umgeben kann und so einen verstärkten Silizium-Verbundstoff nach der vorliegenden Erfindung erhält. Ein solcher
verstärkter Silizium-Verbündstoff umfaßt eine Vielzahl langgestreckter
Siliziumcarbid-Fäden und diese Fäden umgebendes und daran haftendes Silizium-Metall.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert.
Eine Vielzahl von langgestreckten Kohlenstoffäden in Form eines
1SVYK-ZoPf es der Union Ca rbide Corp «wurde zur Bildung eines solchen
Verbundartikels verwendet. Der Zopf wurde in einem vertikal aufgestellten Ofen angeordnet, der eine Argonatmosphäre
enthielt. 10 Minuten lang ließ man geschmolzenes Silizium bei einer Temperatur von 1450°C in das Material einfließen. Nach
dem Abkühlen des Silizium-Verbundartikels wurde dieser aus dem
Öfen herausgenommen. Der erhaltene Artikel war ein durch Siliziumcarbid-Fäden verstärkter Silizium-Artikel.
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-S-
Es wurde ein Silizium-Verbundartikel gemäß dem Beispiel 1 hergestellt.
Es wurden hierzu ,jedoch langgestreckte, hochfeste Kohlenstoff
äden in Form von."Morganite I" der Whittaker Corp. verwendet.
Man erhielt einen erfindungsgemäßen Silizium-Verbundartikel.
Es wurde ein weiterer Silizium-Verbundartikel gemäß Beispiel 1 hergestellt. Als·Kohlenstoffäden wurden jedoch die langgestreckten,
hochfesten Kohlenstoffäden in Form von "Morganite II" der
Whittaker Corp., verwendet. Auch hierbei wurde ein Silizium-Verbundartikel nach der vorliegenden Erfindung erhalten.
Der Silizium-Verbundartikel der Beispiele 1, 2 und 3 und ein
Silizium-Artikel ohne Verstärkung wurden einem 3-Punkt-Biegetest
unterworfen und dabei die in der folgenden Tabelle aufgeführten Ergebnisse erhalten:
II
III
Silizium
III
Silizium
2 3
(Durchschnittswerte)
Rn umtempera tür | 68 | (43,0) | 1000°C | (41, | 2, | 1200° | C |
3 | 47 | (24,0) | 2,87 | (37, | 94 (42 | ,0) | |
1, | 91 | (21,0) | 2,59 | (31, | - | ||
1. | (13,0) | 2,17 | o, | - | |||
o, | 409847 | 0,49 | ,0) | 98 (14 | ,0) | ||
/0788 | ,0) | ||||||
,0) | |||||||
(7,0) | |||||||
• | |||||||
Claims (3)
1. Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Verbundartikels,
gekennzeichnet durch die folgenden Stufen:
Schaffen einer Vielzahl langgestreckter Fäden aus Kohlenstoff, Graphit oder einer Mischung von beiden und In-Berührungbringen
der Fäden mit geschmolzenem Silizium, das man bei einer Temperatur von 1410 bis 1800°C in einer inerten
Atmosphäre in die Fäden einfließen läßt, wobei man einen mit fadenförmigem Siliziumcarbid verstärkten Silizium-Verbundartikel
bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch geke.nn
zeichnet, daßdie langgestreckten Kohlenstoffä-
den in einer im allgemeinen parallelen Beziehung zueinander angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fäden mit dem geschmolzenen Silizium bei e
bracht werden.
bracht werden.
Silizium bei einer Temperatür von 1410 C in Berührung ge-
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