DE2744459A1

DE2744459A1 - Verfahren zur herstellung eines wabenkoerpers aus siliziumnitrid

Info

Publication number: DE2744459A1
Application number: DE19772744459
Authority: DE
Inventors: Herbert Gasthuber; Eggert Dipl Ing Tank
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1977-10-03
Filing date: 1977-10-03
Publication date: 1979-04-12

Description

Verfahren zur Herstellung eines
Wabenkörpers aus Siliziumnitrid Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ilerstellung eines Wabenkörpers mit einer Vielzahl dünnwandiger Kanäle aus Siliziumnitrid. Solche Wabenkörper werden beispielsweise für rekuperntive Wiirmetauscher von Casturbinen verwendet.
Zur Herstellung dieser Wabenk(irper werden abwechselnd ebene und gewellte Folien, die aus einem feinen Siliziumpulver und einem organischen Bindemittel bestehen, aufeinandergeschichtet. Nachdem das Bindemittel durch Erwärmen entfernt worden ist, wird durch Ilochtemperaturgliihen unter Stickstoff das Silizium iii Siliziumnitrid verwandelt. Dieses Verfahren ist jedoch mit einer Reihe von tängeln behaftet, die zu einem fehlerhaften Wabenkörper fiihren können.
Beim Entfernen des Bindemittels wird dieses zunehmend weicher, wobei der gesamte Wabenkörper und jeder der einzelnen Kanale ihre genaue Form verlieren können. Darüber hinaus können durch heftige, ungleichmäßige oder an der falschen Stelle abgegebene Dämpfe und Zersetzungsgase weitere Veränderungen und Schaden am Wabenkörper entstehen. Nachdem das Bindemittel entfernt worden ist, verbleibt ein poröser Wabenkörper, dessen Folien aus Siliziumpulver bestehen, das nur sehr geringe Dindekräfte zwischen den einzelnen Tcilchen aufweist. Deshalb ist der Zusammenhang sowohl innerhalb der einzelnen Folien als auch der Folien untereinander nur sehr locker. Der Wabenkörper ist in diesem Zustand äußerst empfindlich gegen Lrscll;itterungen und stöße und kann daher leicht beschidigt werden. Er kann nur mit größter Vorsicht zur weiteren nearbeitung befördert werden.
fleim H@chtemperaturglüben können in dem Wabenkörper durch ungleichmäßige oder zu rnsche Aufheizung W.irmespannungen auftreten, die in den zunächst noch nicht verfestigten und daher weiterhin lockeren und nur mangelhaft zusammengehaltenen Folien zu Verwerfungen und llissen führen. Auch kann sich dabei die Verbindung zwischen einzelnen Folien lösen. Derartige Veränderungen machen den Wabenkörper unbrauchbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Mängel zu beheben und ein Verfahren anzugeben, das die einfache Herstellung eines fehlerfreien, mangenauen und leicht mäßig festen Wabenkörpers ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch angegebenen Verfahrensschritte gelöst. Neben der dadurch erzielten höheren Gifte des Wabenkörpers hat dieses Verfahren den wesentlichen Vorzug, daß es ohne großen Aufwand auch die ilerstellung beliebig angeordneter, z.D. gekrämmter, Kanäle möglich macht.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles im folgenden näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Wabenkörper in raumlicher Darstellung mit angedeuteter Wabenstruktur, Fig. 2 ei ne Stirnansicht eines Teiles des Wabenkörpers in größerem Maßstab, Fig. 3 bis, jeweils eine Stirnansicht eines Teiles des Wabenkörpers in verschiedenen Herstellungszustauden in stark vergrößertem Maßstab und Fig. 6 eine Stirnansicht eines Graphitstreifens in stark vergrößertem Maßstab.
Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, besteht der fertige quaderförmige Wabenkörper aus einer Vielzahl dünnwandiger Kan@le 11.
Die Kanäle 11. die eine trapezförmige Querschnittsfläche haben, sind iii bereinanderliegenden Reihen 12 so ange@rdnet, daß jeweils zwei benachbarte Kanäle 11 einer Reihe 12 um 180° gegeneinander verdreht sind und damit eine gemeinsame schräge Seitenwand 13 haben. Die Kanile 1 1 aneinandergrenzender Reihen 12 sind im Beispiel seitlich gegeneinander versetzt. Der Wabenkörper besteht aus Siliziumnitrid.
Zur herstellung des Wabenkörpers wird, wie FiS. 3 zeigt, als Unterlage eine rechteckige Graphitplatte 14 ben@tzt, auf die durch thermisches Spritzen von Siliziumpulver eine dänne Siliziumschicht 15 aufgebracht wird. Auf diese werden parallel zu den kurzen Seiten 16 der Graphitplatte 14 in regelmäßigen Abständen voneinander Graphitstreifen 17 aufgelegt, die sich jeweils Iber die ganze Breite der Siliziumschicht 15 erstrecken. Die Graphitstreifen 17, die eine trapezförmige Querschnittsfläche haben, liegen mit ihrer Grundfliche 18 auf der Siliziumschicht 15 auf.
Ihr abstand voneinander ist etwas gröner als die nreite ihrer Dockfläche 19. Die Querschnittsfläche, die Länge und die Anordnung der Graphitstreifen 17 bestimmt den genauen Durchgangsquerschnitt sowie die iibrigen Formen und Abmessungen der Kanäle 11 des Wabenkörpers.
Auf die Graphitstreifen 17 und die van diesen nicht abgedeckten Abschnitte 20 der Siliziumschicht 15 wird wieder durch thermisches Spritzen von Siliziumpulver eine Siliziumschicht 21 aufgetragen, deren Dicke der Siliziumscl>iclit 15 entspricht. Die Siliziumschicht 21 haftet fest auf ihrem Untergrund aus Graphit bzw. Silizium.
In die Lilcken 22 zwischen den Graphitstreifen 17 werden weitere Graphitstreifen 17 dersclben Gestalt mit nach unten weisender Deckfläche 19 eingelegt. Die Grundflächen 18 der Graphitstreifen 17 bilden dabei mit den mit der Siliziumschicht 21 versehenen Dcckflachen 19 der ursprünglich aufgelegten Graphitstreifen 17 eine Ebene 23.
Unterhalb der Ebene 23 verbleiben, wie Fig. 4 erkennt läßt, im Bereich der beiden äußeren Graphitstreifen 1. @@ weils deren schräge äußere Seite 24 und das außen daran anschließende waagerechte Endstiick 25 einschließlich der diese bedeckenden Siliziumschicht 21. Jeder der beiden Räume 26 iiber diesen tieferliegenden Teilen wird jeweils an den drei offenen Seiten durch eine im Schnitt dargestellte Blende 27 abgedeckt und bis zur Ebene 23 durch thermisches Spritzen von Siliziumpulver ausgef@llt. Durch die so gebildete rillung 28 (Fig.5) erhält der Wabenkdrper dichte und feste Spitenwände 29.
Auf die Ebene 23, deren Ausdehnung der Graphitplatte 14 entspricht, wird anschließend durch thermisches Spritzen eine weitere Siliziumschicht 15 gleicher Dicke aufgetragen.
Wie Fig. . 5 5 zeigt, werden je nach der gewiinschten liöhe des Wabenkörpers die bisherigen Verfahrensschritte wiederholt.
Es entsteht dabei ein thermisch gespritzter einstäckiger Wabenkörper aus Silizirm.
Zur Entfernung der für die Formgebung beim thermischen Spritzen benötigten Graphitstreifen 17 und der Graphitplatte 14 wird der Wabenkörper in Luft geglüht, wobei die porosen Crapllitteile rückstandslos verbrennen. Es verbleibt ein fest zusammenhängender und leicht hantierbarer Wabenkörper aus Silizium.
Das Silizium des Wabenkörpers wird schließlich auf bekannt te Weise durch einen Nitridierungsprozeß in Siliziumnitrid umgewandelt. Dazu wird der Wabenkörper bei hohen Temperaturen in reinem Stickstoff geglüht. Der Wabenkörper bleibt bei der chemischen Umwandlung gegen;iber seinem urspriinglichen Zustand nach dem thermischen Spritzen äußerlich unverändert. Als Endprodukt entsteht ein mangenauer monolithischer Wabenkörper aus Siliziumnitrid, der sich durch eine gleichmäßige Fcstigkeit auszeichnet.
Zur Herstellung des Wabenkörpers kann statt einer Grnphitplatte auch eine dünne Graphitfolie verwendet werden. Die Craphitstreifen können aus massivem oder porösem Graphit bestehen. Ihr Raumgewicht beträgt im letzten Fall beispiclsweise 0,3 g/cm3. Solche Streifen lassen sich leicht verformen, was die verschiedensten Arten der Anordnung ermöglicht So lassen sich durch gebogene Graphitstreifen ohne großen Aufwand auch gekrümmte Kanäle für wechselnde Str@-mungsrichtungen herstellen. Die trapezförmige Querschnittsfläche der Craphitstreifen kann statt gerader Seiten beispielsweise auch leicht sinusförmig geschwungene Seiten aufweisen. Die Oberfläche der Graphitstreifen ist in jedem FAlle glatt und dicht, so daß sich glatte und damit widerstandsanme Kanäle ergeben. Die Graphitstreifen haben eine Mindestdicke von etwa 0,25 mm. Dariber hinaus kann jede Dicke und Gröfe frei gewählt werden. Die Dicke der Graphitstreifen betragt beispielsweise 1 mm die der Graphitplatte 2 mm. Die Graphitstreifen lassen sich durch spanlose oder spanabhebende Formung auf einfache und billige Weise herstellen.
Beim thermischen Spritzen wird ein Siliziumpulver verwendet, dessen Korngröße zwischen 10 und 60µm liegt. Der dabei in der Siliziumschicht gebildete Porenraum soll so groß sein daß das Raumgewicllt der Schicht 1,9 g/cm3 nicht iiberschreitet. Die Dicke der aufgespritzten Silizium schicht beträgt z.B. 0,2 mm. Sie kann jedoch auch wesentlich höher liegen. Die nach dem Auflegen der Graphitstreifen an den beiden Enden jeder Reihe verbleibenden Räume iiber den tieferliegenden Teilen können statt durch thermisches Spritzen, wie im Ausfiihrungsbeispiel angegeben, auch durch eine Siliziumpaste ausgefüllt werden.
Beim Glüben werden die Graphitstreifen und die Graphitplatte beispielsweise in 48 Stunden bei einer Temperatur von 700°C @xidiert. Die Glühtemperatur bei der anschließenden Nitridierung liegt normalerweise zwischen 1250 und 14500c.

Claims

Anspruch Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers mit einer Vielzahl dünnwandiger Kanäle aus Siliziumnitrid,gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Auf eine Graphitunterlage (14) wird Siliziumpulver mit einer Korngröße von 10 bis 60 µm durch tljermisciies Spritzen zur bildung einer Siliziumschicht (15) aufgetragen, b) Graphitstreifen (17) mit einer im wesentlichen trapezförmigen Querschnittsfläche werden in gleichem Abstand von ander mit ihrer Grundflache (18) auf die Siliziumsciiicht (15) gelegt, wobei der Abstand je nach der Wandstärke der zu bildenden Kanäle (11) etwas größer als die Breite der Deckflächen (19) der Graphitstreifen (17) ist, c) auf die Graphitstreifen (17) und die von diesen nicht abgedeckten Abschnitte (20) der Siliziumschicht (15) wird eine weitere Siliziumschicht (21) durch thermisches Spritzen aufgetragen d) in die Liicken (22) zwischen den Graphitstreifen (17) werden Graphitstreifen (17) derselben Gestalt mit nach unten weisender Deckfläche (19) eingelegt, wobei deren Grundfl.icllen (18) mit den mit der Siliziumschicht (21) versehenen Deckflachen (19) der urspriinglich eingelegten Graphitstreifen (17) eine Ebene bilden.

e) auf die gebildete Ebene (23) wird eine Siliziumschicht (15) durch thermisches Spritzen aufgetragen, f) nach einem der Verfahrenssciiritte c, d oder e wird der im Bereich der äußeren Seiten (24) der beiden auneren Graphitstreifen (17) verbleibende tieferliegende l?aum (26) jeweils an den offenen Seiten durch eine Blende (27) abgedeckt und bis zur hohe der Ebene (23) durch thermisches Spritzen von Siliziumpulver oder durch eine Siliziumpaste ausgefüllt.

g) die Verfahrensschritte b bis f werden je nach der gewiInschten Höhe des Wal)enkörpers mehrmals wiederholt h) die Graphitstreifen (17) und die Graphitunterlage (14) werden durch Glühen des Wabenkörpers in Luft rückstandslos verbrannt und i) der Wabenkörper wird in an sich bekannter Weise in reinem Stickstoff gegliiht, wobei das Silizium in Siliziumnitrid umgewandelt wir.