DE3249270T1 - Kontinuierliche herstellung von siliciumcarbid-whiskern - Google Patents

Kontinuierliche herstellung von siliciumcarbid-whiskern

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DE3249270T1
DE3249270T1 DE823249270T DE3249270T DE3249270T1 DE 3249270 T1 DE3249270 T1 DE 3249270T1 DE 823249270 T DE823249270 T DE 823249270T DE 3249270 T DE3249270 T DE 3249270T DE 3249270 T1 DE3249270 T1 DE 3249270T1
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Ronald L. 29651 Greer S.C. Beatty
Floyd H. 29662 Mauldin S.C. Wyman
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Atlantic Richfield Co
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Description

P 32 49 270.7 Ν 47-0006Α WGR
Atlantic Richfield Company, Los Angeles, CA, V.St.A. Verfahren und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
zum kontinuierlichen Herstellen von Whiskern 5
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum im wesentliehen kontinuierlichen Herstellen von Siliciumcarbid-Whiskern auf Basis eines Kohlenstoff und Silicium enthaltenden Ausgangsmaterials.
Bisher wurden Siliciurncarbid-Whisker einzig im sogenannten Chargenbetrieb hergestellt. Reishülsen, ein Wegwerfprodukt bei der Reisraffinade, haben bekanntlich sowohl Siliciumdioxid und Kohlenstoff in ausreichender Menge, um daraus Siliciumcarbid-Whisker herstellen zu können, vgl., z. B. US--PS 3 754 076. Hierzu werden gekochte Reishülsen im allgemeinen chargenweise in einem Induktionsofen auf Temperaturen im Bereich von 16000C bis 20000C für mehrere Stunden aufgeheizt. Während dieser Zeit verbinden sich die Silicium-und Kohlenstoffanteile zu einem Kuchen aus SiIiciumcarbidpartikeln und Siliciumcarbid-Whiskern. Die Whisker werden aus dem Kuchen entfernt mittels bekannter Methoden, wie z. B. durch Schwimmflotation gemäß der US-PS 4 293 099.
Solche Whisker finden in großem Maßstab Anwendung bei der
Verstärkung von Metallen, Kunststoffen und keramischen Bauteilen.
Es sind bereits viele Versuche unternommen worden, den Durchsatz des vorerwähnten Herstellungsprozesses zu verbessern, jedoch ohne Erfolg. Das eingangs genannte Herstellungsverfahren ist darüber hinaus nicht gut geeignet, um es in ein kontinuierliches Verfahren zu überführen, da ein kontinuierlicher Durchsatz von gekochten Reishülsen normalerweise zu ihrem Eiowegen untereinander führt, was das Wachstum dor Whisker hindert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde unter Benutzung der Erfahrungen der bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Whiskern ein kontinuierliches oder quasi-kontinuierliches Verfahren sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Siliciumcarbid-Whiskern zu schaffen, durch das eine bessere Produktionsrate und ein höherer Durchsatz als bei den bisher bekannton Verfahren erreichbar ist.
Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Hinsichtlich der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 45 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur Ermittlung der erfinderischen Verfahrensschritte in Form eines quasi-kontinuierlichen, aber dennoch chargenweise arbeitenden Verfahrens zur Herstellung der Whisker bedurfte es vieler Versuche. So wurden zylindrische, mit gekochten Reishülsen gefüllte Graphitbehälter aufeinanderfolgend durch eine Heizzone geschoben, um die Reishülsen ohne jede Störung, also in einem ungestörten Zustand kontinuierlich durch die durch einen Umwandlungsofen verkörperte Heizzone zu bewegen.
Hierbei mußte festgestellt werden, daß nach einigen Tagen der kontinuierlichen Verfahrensweise der Herstellungsprozeß nicht mehr funktionsfähig war. Eine Analyse des Problems ergab, daß gasförmige Verunreinigungen während des Umwandlungsprozesses glasför-3g mige Ablagerungen auf dein Ofen und seinen Ausgangswandungen erzeugten, also in Bereichen, wo die Temperatur im allgemeinen unter 1500°C fällt. Die glasähnlichen Verunreinigungen verhindern die Bewegung der Graphitbehälter,
d.h., die Verunreinigungen bilden eine Reibungsfläche, gegenüber der die Behälter nicht mehr bewegbar sind.
Als weiteres Problem wurde ferner die Feuchtigkeit im Ausgangsma-5
terial ermittelt. Feuchtigkeit bei den für die Bildung der Whisker notwendigen Temperaturen führt zu Korrosion der Ofenwände.
Diese beiden Probleme sind erfindungsgemäß durch die neue gesplitterte Reinigungstechnik gelöst, indem das Inertgas kontinuierlich in die Heizzone zwischen dem benachbarten Trocknungs- und Umwandlungsofen derart gepreßt wird, daß (1) ein Inertgasstrom stromauf durch den Trocknungsofen strömt, um Feuchtigkeit vom Wandern durch ^ den benachbarten Umwandlungsofen abzuhalten, und (2) ein weiterer Inertgasstrom stromab durch den Umwandlungsofen strömt, um gasförmige Verunreinigungen abzuführen, ehe sie sich auf kälteren Flächenzonen des Ofens niederschlagen können.
20
Besonders vorteilhaft ist es, zylindrische Graphitbehälter als Fördermittel für das quasi-kontinuierliche chargenweise Zuführen des Ausgangsmaterials zu benutzen. Jedoch können auch andere dafür geeignete Fördermittel angewendet werden. Die Erfindung ist also hierauf nicht beschränkt. Das beschriebene, ein kontinuierliches oder quasi-kontinuier.1iches Verfahren ist nach bester Erkenntnis das erste Verfahren dieser Art, das zur kontinuierlichen Herstellung von Whiskern vorgeschlagen wird. Es ist also davon auszugehen, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren ein entscheidender Beitrag zur Technik der SiIiciumcarbid-Whisker-Herstellung gelei stet wird.
Unter dem Begriff Whisker oder Siliciumcarbid-Whisker sind Siliciumcarbidfasern, Endlosfasern oder nadeiförmige Partikel oder ein Gemenge davon zu verstehen, die mit Hilfe der vorgeschlagenen Verfahrensschritte hergestellt
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werden können.
Die Begriffe kontinuierlich oder im wesentlichen kontinuierlich sind Synonyme und bezeichnen einem Herste;] I unyspiozeß,der unterbrochen werden kann oder der ein schritt- oder stufenweises Bewegen des Ausgangsmaterial erlaubt.
Ein großer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß trotz der kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Arbeitsweise das Ausgangsmaterial selbst nicht bewegt wird, d.h. während der Vorschubbewegung bleibt das Ausgangsmaterial ungestört, so daß während der kontinuierlichen Förderung durch die Heizzone genügend lange Whisker-Fasern wachsen können. Jedes Bewegen des Materials selbst, also
z. B.' sein Umwälzen oder ähnliches, verhindert das Whisker-Wachstum.
Vorzugsweise werden als Ausgangsmaterial gekochte Reishülsen verwendet oder ein Gemenge aus Sand und einem Petroleumdestillat.
Am Anfang des Herstellungsprozesses wird das Ausgangsmaterial in der Trockenzone getrocknet, wobei wenigstens 99 Gew.-% des Wassers entfernt werden. Durch diese fast vollständige Entfernung der Feuchtigkeit werden Korrosionen der Wände der nachfolgenden Heizstufe verhindert.
Das getrocknete Ausgangsmaterial wird durch die Heizzone während eines Zeitraums langer als 1 Stunde bei einer Temperatur, die 10000C übersteigt, geführt. Im allgemeinen arbeitet die Heizzone in einem Temperaturbereich von etwa 10000C bis 18500C. Sie ist ständig im wesentlichen kontinuierlich mittels des Inertgases gereinigt, durch das gasförmige Verunreinigungen, die während der Whiskerbildung entstehen, verdrängt werden. Diese Verunreinigungen werden also direkt aus der Heizzone weggeblasen, so daß glasförmige Ablagerungen auf kälteren Oberflächen der Stu-
fe, also auf Oberflächen mit Temperaturen unter 1500°C, verhindert werden.
Anstelle von Stickstoff oder Argon als Inertgas können 5
auch andere Inertgase als Reinigungsgase benutzt werden. Wichtig ist nur, daß das Inertgas an der Verbindungsstelle zwischen der Trocken- und der Heizzone eingeblasen wird. Hierbei wird das Inertgas in zwei Teilgasströme aufgeteilt, so daß der eine Teilgasstrom stromauf durch die Trockenzone strömt, während der andere Teilgasstrom stromab durch die Heizzone geführt wird. Auf diese einfache Weise werden einerseits Feuchtigkeit aus der Trockenzone daran gehindert, in die Heizzone einzutreten und andererseits
gasförmige Verunreinigungen aus der Heizzone ausgetrieben. 15
Die Gasdüsen sind vorteilhafterweise leicht an der Heizzonenwandung montierbar ausgestaltet, um die Wartung und Reinigung der Anlage zu vereinfachen.
Der Heizzone stromab benachbart ist eine Kühlzone vorgesehen, um die Whisker ohne Oxidation auf Umgebungstemperatur herabkühlen zu können.
Die vorerwähnte Reinigungstechnik bedingt, daß das Inertgas unter einem konstanten Überdruck durch das System gepumpt werden muß. Auch müssen die Gasaustrittsdüsen so konstruiert sein, daß der Inertgasstrom von der der Umwandlung des Au.sgangsmaterials dienenden Heizzone unmittelbar weggeblasen wird, so daß hoiße Gasemissionen nie in die Nähe kühle- ^O rer Oberflächen dieser Zone gelangen oder gar sich dort niederschlagen können. Die Austrittsdüsen können so konstruiert sein, daß ein schnelles Wechseln von den Wänden der Umwandlungsstufe möglich ist, um das kontinuierliche Herstellungsverfahren auch während Reinigungs- und Wartungsarbeiten nicht zu unterbrechen.
Für die Realisierung des kontinuierlichen Chargenprozesses
eignet sich aber auch ein kontinuierlich bewegtes sogenanntes Drehherzsystem und ferner ein kontinuierlich arbeitender tunnel förmiger Schachtofen. Dar; genannte Drchherzfördersystem weist ein kontinuierlich bewegtes einstücki-
■ ges ringförmiges horizontal liegendes Förderband auf, um die gekochten Reishülsen durch die einzelnen Trocken-, Heiz- und Kühlstufen zu führen. Hierzu ist das Förderband aus einem hitzebeständigen Material gefertigt, das in einem Temperaturbereich zwischen etwa 10000C und 20000C einsatzfähig ist. Hierzu ist zum Beispiel eine kreisringförmige einstückige Graphitplatte besonders geeignet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Fördermittel für den tunnelförmigen Schachtofen miniaturisierte Graphitwagen vorgesehen sind, die auf Rädern durch die Trocken-, Heiz- und Kühlzone rollen, es eignen sich aber auch Behälter mit einer Gleitfläche oder Rollen, sogenannte Balkenschrittmacher oder andere geeignete Fördermittel für den kontinuierlichen ungestörten Transport des Ausgangsmaterials durch die genannten Zonen.
Die Einrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist also vorteilhafterweise mit einem kontinuierlich arbeitenden Chargenfördersystem ausgestattet, durch das die das Ausgangsmaterial beinhaltenden Behälter schrittweise nacheinander durch die einzelnen Zonen oder Prozeßstufen geführt werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand dreier in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines kontinuierlich arbeitenden Förder- und Umwandlungssystems für die Herstellung von Siliciumcarbid-
Whiskern gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer zweiten
Ausführungsform des Fördersystems nach Fig. 1 in Form eines sogenannten Drehherzfördersystems; und
Fig. 3 eine teilweise im Schnitt gezeigte weitere Ausführungsform eines Fördersystems für eine Einrichtung nach Fig. 1 in Form eines ringförmigen Schachtofensystems.
Zur Erzeugung der gewünschten Siliciumcarbid-Whisker auf einer kontinuierlichen Basis wird Silicium und Kohlenstoff enthaltendes Ausgangsmaterial durch eine Reihe von Fertigungszohen, nämlich eine Trocken-, eine Heiz- und eine
Kühlzone geführt, wobei das Ausgangsmaterial durch die Heizzone in einem im wesentlichen ungestörten Zustand zu führen ist, um das Wachstum der Whisker zu ermöglichen.
Wie Fig. 1 zeigt, ist hierzu ein kontinuierlich arbeiten-
des Schüttgutfördersystem vorgesehen. Gekochte Reishülsen oder andere brauchbare Silicium und Kohlenstoff enthaltende Materialien sind in einer Anzahl zylindrischer Behälter 9 gefüllt, die auf einer trogförmigen Führungsbahn 10 zusammengefaßt sind. Jeder Behälter 9 ist aus einem Graphitmaterial hergestellt, das den hohen Temperaturen widersteht, die für das Wachstum der Siliciumcarbid-Whisker benötigt werden. Der unterste Behälter innerhalb des gekrümmten Teils 11 dor Führungsbahn 10 wird in Richtung des Pfeils 12 in die Mündung 13 eines Trocknungsofens 14 mit-
tels eines Stößels 15 bewegt. Nachdem der unterste Behälter 9 in den Ofen 14 gestoßen ist, wird der Stößel 15 zurückgezogen und der nächste Behälter 9, der auf der Führungsbahn 10 nachgerutscht ist, kann von dem Stößel in den Trocknungsofen 14 gestoßen werden. Die Behälter umfassen je
etwa 2,25 kg Ausgangsmaterial. Der Stößel 15 stößt die Behälter 9 mit einer Geschwindigkeit von etwa 150 cm/h durch das System. Da jeder folgende Behälter den vorhergehenden
* Behälter vor sich herstößt, entsteht eine ununterbrochene Aufeinanderfolge von Behältern, die durch das System wandern, wie es der durch den Pfeil 16 gekennzeichnete Ausschnitt des Systems in Fig. 1 zeigt.
Der Trocknungsofen 14 weist einen Temperaturbereich von etwa 6000C am Eingang bis etwa 80Ö°C an seinem Ausgang auf, wie es auch aus Fig. 1 zu ersehen ist.
im Trocknungsofen wird annähernd alle, wenn nicht gar die gesamte Feuchtigkeit der gekochten Reishülsen ausgetrieben, so daß die Feuchtigkeit die Ofenwände 17 des nachfolgenden Umwandlungsofens 18 nicht korrodieren kann.
Nachdem die gekochten Reishülsen im Trocknungsofen 14 getrocknet worden sind, gelangen sie in einen Umwandlungsofen 18, wo das Wachsen der Whisker erfolgt. Der Umwandlungsofen 18 besitzt eine Hochtemperaturzone, wo das Silicium und der Kohlenstoff reagieren, um Siliciumcarbid zu bilden. Hierbei muß das Ausgangsmaterial in einem völlig ungestörten Zustand durch die Hochtemperaturzone geführt werden, um das Wachstum der Whisker zu ermöglichen. Durch den Umwandlungsofen 18 werden die gekochten Reishülsen einem Temperaturbereich von etwa 10000C am Eingang bis etwa 18500C an dem Ausgang ausgesetzt, wie es in Fig. 1 angedeutet ist. Diese Temperaturen sind ausreichend, um das Wachstum der Whisker zu ermöglichen.
Der Umwandlungsofen 18 wird mittels einer Elektrode aufgeheizt, die mit einer Stromstärke von 5000 Ampere bei einer Spannung von 15 Volt gespeist ist.
Jeder Behälter 9 benötigt mehr als 1 Stunde, um jede der Zonen des Systems zu durchlaufen. Jede der Zonen oder Stufen (Trocknen, Heizen etc.) besitzt eine Länge von ca. 3 m. Es werden daher mehr als 2 Stunden für eine vollständige Passage des Systems benötigt bei einer Vorschubgeschwindigkeit von etwa 150 cm/h. Die Zonenlänge und die Vorschub-
-ΙΟΙ geschwindigkeit sind selbstverständlich in Abhängigkeit
von dem Umfang des durch das System zu führenden Materials und der Dxmensionierungsgroßen des Systems veränderlich.
Nachdem sich die Whisker im Umwandlungsofen 18 gebildet
haben, treten die Behälter in eine Kühlzone 19 ein. In
dieser Kühlzone 19 wird die Temperatur der Whisker und
der Behälter auf Umgebungstemperatur zurückgebracht. Dieses Kühlen erfolgt in einer Atmosphäre, die eine Oxidation der Whisker und der Behälter während des Kühlens verhindert.
Zu diesem Zweck ist an der mit einem Pfeil 20 gekennzeichneten Verbindungsstelle zwischen dem Trocknungsofen 14 und dem Umwandlungsofen 18 ein Gaseinlaß 21 vorgesehen. Das
Gas wird in Richtung des Pfeils 22 ständig durch den Gaseinlaß 21 in die Innenkammer 23 eines jeden Ofens gepumpt. Hierzu wird der Gasstrom in zwei Teilgasströme 22a und 22b gesplittet. Der Teilgasstrom 22a fließt stromab in den Umwandlungsofen 18 und reinigt diesen Ofen von gasförmigen
Verunreinigungen, die bei der Reaktion der gekochten Reishülsen entstehen. Diese gasförmigen Verunreinigungen werden hierbei in Richtung des Pfeils 24 zu den Auslassen 25
gezwungen, die direkt im Bereich der Heizzone angeordnet
sind und in diese münden. Der Ort der Auslässe 25 ist kritisch. Falls die gasförmigen Verunreinigungen unter 15000C abkühlen, fallen diese als feste glasförmige Niederschläge aus und können die Funktionen des Umwandlungsofens behindern oder gar unmöglich machen, da sie bei ihrem Nie-
derschlagen die Reibung zwischen Behälter und Passage so
stark vergrößern, daß eine Vorschubbewegung der Behälter
durch den Ofen verhindert wird. Auch können diese glasförmigen Niederschläge die Auslässe und andere Teile des Ofens zusetzen.
Wie erwähnt sind die Auslässe 25 direkt in der Heizzone
angeordnet, um sicherzustellen, daß gasförmige Verunreini-
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gungen ausgetrieben werden, ehe diese in fester Form sich niederschlagen können. Die Auslässe 25 sind so ausgebildet;, daß sie leicht vom Umwand Jungsofen 18 entfernt, werden können zwecks Reinigung oder für Reparaturzwecke, ohne die Notwendigkeit, den augenblicklichen Herstellungsprozeß zu unterbrechen.
Das Reinigungsgas wird dem System mit einer Förderrate von 1,4 bis 2,8 m3/h kontinuierlich zugeführt. Das Reinigungsgas ist ein Inertgas, wie z. B. Stickstoff oder Argon, auch ein anderes Gas, das das Wachstum der Whisker fördert, kann verwendet werden. Ebenso kann ein Gasgemisch Verwendung finden, wobei ein Anteil des Gemisches ein Inertgas ist.
Der Teilgasstrom 22b des Reinigungsgasstroms 22 fließt stromauf in den Trocknungsofen 14 und verdrängt oder hält die vom Ausgangsmaterial stammende Feuchtigkeit von den Wänden des Umwandlungsofens 18 fern. Dadurch wird verhütet, daß die Feuchtigkeit sich auf den Wänden des Umwändlungsofens niederschlagen kann und somit diese korrodieren können.
Die Behälter 9 verlassen das System längs des Pfeils 26 am Ausgang der Kühlkammer 19. Die in den Behältern 9 produzierten Whisker können nunmehr den Behältern entnommen werden und z. B. durch Fest-Flüssig-Extraktion vom Siliciumcarbid getrennt werden.
3Q In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer kontinuierlich arbeitenden Anordnung zur Herstellung von SiIiciumcarbid-Whiskern dargestellt. Wie diese Figur zeigt, wird dort ein sogenanntes Drehherz verwendet, das die gleichen Zonen wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
gc durchläuft, nämlich eine Trockenzone 14, eine Heizzone 18 und eine Kühlzone 19. Auch diese Zonen sind mittels eines Inertgasstroms 22 in ähnlicher Weise von Feuchtigkeit und gasförmigen Verunreinigungen gereinigt, wie beim vorerwähn-
ten kontinuierlich arbeitenden Schüttgut- oder Chargenfördersystem nach Fig. 1.
Im Unterschied zum Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 1 wird 5
bei Fig. 2 lose geschüttetes Ausgangsmaterial kontinuierlich durch das System gefördert. Dies wird durch eine kontinuierliche Rotation - siehe Pfeil 29 - eines einstückigen ringförmigen Förderbands 27 aus Graphit, das die gekochten Reishülsen 28 durch die einzelnen Prozeßzonen, also durch die Stufen 14, 18 und 19 bewegt. Die Rotation des Förderbands 27 wird durch eine Anzahl nicht dargestellter Antriebsrollen erreicht.
Das Whisker-Material 30, das die Kühlzone 19 verläßt, wird ^ mittels einer Blatt- oder Messerkante oder eines Schrappers 31 vom Förderband gekratzt.
Das Ausgangsmaterial - also insbesondere gekochte Reishül-
sen - wird durch Schwerkraftförderung längs des Pfeils 32
2^ mittels einer trichterförmigen Schütte oder Schute 33 auf das sich drehende Förderband 27 aufgebracht, wie in Fig. 2 dargestellt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form eines sogenann-2^ ten Tunnelofensystems ist in Fig. 3 dargestellt. Für dieses System ist eine Reihe von Schienenwagen 35 vorgesehen, die nacheinander die Zonen 14, 18 und 19 durchlaufen. Jeder Schienenwagen ist mit dem Ausgangsmaterial, also mit gekochten Reishülsen oder ähnlichem gefüllt worden, ehe er die Verfahrensstufen durchläuft. Am Ausgang der Prozeßstufen, also nach dem Verlassen der Kühlzone 19, wird jeder Schienenwagen durch sogenannte Kippentladung geleert. Das Füllen der Schienenfahrzeuge erfolgt ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mittels einer nicht dargestellten trichterförmigen Schütte. Alle anderen Verfahrensbedingungen und -schritte entsprechen denen der bereits in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen
— 1 3 —
Ausführungsbeispielcn.
Beispiel
Das nachfolgende Beispiel entspricht den'tatsächlichen Mengen von Ausgangsmaterial,die einem Prozeßverfahren nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 unterworfen wurden. Es werden gekochte Reishülsen in Graphitbehälter gefüllt und kontinuierlich in einem Siliciurncarbid-Umwandlungssystern gefördert.
Die Förderrate beträgt 2,7 kg/h. Das Umwandlungssystem umfaßt eine Vorheiz- oder Trocknungsstufe, eine Hochtemperaturumwandlungsstufe und eine Kühlstufe. In der Vorheiz- oder Trocknungsstufe werden die gekochten Reishülsen auf eine Temperatur von 8000C aufgeheizt, ihre Verweilzeit beträgt 1,5 Stunden, um Feuchtigkeit zu entfernen.
Die Vorheiz- und Trochnungsstufe wird durch Inertgas gereinigt, das separat ein- und ausgeblasen wird, um zu verhindern, daß Feuchtigkeit in die Hochtemperaturumwandlungsstufe eindringt. Als Vorheizstufe ist eine extern mittels elektrischer Widerstandsheizung aufgeheizte "Inconel Muffel" verwendet. In die Umwandlungsstufe werden die gekochten Reishülsen in einer Stickstoffatmosphäre durch direkte Niedervolt-Widerstandsheizung einer Graphit-Muffel auf eine Temperatur aufgeheizt,die in einem Bereich von 15000C am Eingang und 18000C am Ausgang liegt, mit einer Verweilzeit von 1,5 Stunden. Diese Stufe ist mit einem Reinigungsgas in dem Temperaturbereich von 15000C bis 18000C beblasen, das am Auslaß gasförmige Reaktionsprodukte, wie Kohlenmonoxid und andere flüchtige Produkte umfaßt.
Die Kühlstufe ist eine wassergekühlte mit Argon gereinigte Zelle oder Muschel, durch die die Behälter und das darin enthaltene umgewandelte Material auf Umgebungstemperatur
- 14 gekühlt werden während einer Verweilzeit von 1,5 Stunden.
Das umgewandelte Material wurde mit einer Rate von 1,1 kg/ Stunde hergestellt und enthielt etwa 15 % Siliciumcarbid-Whisker, 60 % Siliciumcarbidpartikel und 25 .% Restkohlenstoff.
Industrielle Anwendbarkeit
Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ist brauchbar für die industrielle Herstellung von Siliciumcarbid-Whiskern. Die Siliciumcarbid-Whisker ihrerseits sind brauchbar für die Verstärkung einer Vielzahl von Gefügen einschließlich von Metallen, Keramiken und Polymere. SoI-ehe faserverstärkten Produkte finden Anwendung in vielen industriellen Bereichen einschließlich der Herstellung von Fahrzeugen und Maschinen.

Claims (43)

15 Patentansprüche
20 l. Verfahren zum im wesentlichen kontinuierlichen Herstellen von Siliciumcarbid-Whiskern auf Basis eines Kohlenstoff und Silicium enthaltenden Ausgangsmaterials, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
25 (a) das Kohlenstoff und Silicium enthaltende Ausgangsmaterial mit einem Wassergehalt von weniger als 1 Gew.-% wird im wesentlichen kontinuierlich einer Heizzone zugeführt,
(b) das zugeführte Ausgangsmaterial wird in einem ruhen-30 den Zustand durch die Heizzone innerhalb einer Zeit geführt, die ausreicht, das Wachstum von Siliciumcarbid-Whiskern zu gewährleisten, und
(c) das zugeführte Ausgangsmaterial wird in der Heizzone auf Temperaturen über annähernd 10000C aufgeheizt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:
(d) das zugeführte Ausgangsmaterial wird vor der Zuführung in die Heizzone getrocknet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:
(d) das aufgeheizte Ausgangsmaterial wird nach dem Durchlaufen des Verfahrensschritts (c) auf Umgebungstemperatur zurückgekühlt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der das Aufheizen umfassende Verfahrensschritt (c) in einer im wesentlichen inerten Atmosphäre durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die inerte Atmosphäre Stickstoff oder Argon enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Aufheizschritt (c) den weiteren Verfahrensschritt:
(d) die Heizzone wird im wesentlichen kontinuierlich von
gasförmigen Substanzen gereinigt, umfaßt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Aufheizschritt (c) den weiteren Verfahrensschritt:
(d) in die Heizzone wird während der Durchführung des Aus-OC-gangsmaterials ein im wesentlichen inertes Gas im wesentlichen kontinuierlich zugeführt, umfaßt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das inerte Gas Stickstoff oder Argon enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangsmaterial gekochte Reishülsen oder ein Gemisch aus Sand und wenigstens einem Petroleumdestillat umfaßt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangsmaterial in mehr als einer Stunde durch die Heizzone geführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Ausgangsmaterial in der Heizzone auf eine Temperatur zwischen annähernd 10000C und 18500C aufgeheizt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e ken η -
zeichnet, daß das Ausgangsmaterial in der Heizzone auf eine Temperatur im Bereich zwischen annähernd 10000C und 18500C aufgeheizt wird.
13. Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Whiskern auf im wesentlichen kontinuierlicher Basis aus einem Ausgangsmaterial, das Kohlenstoff und Silicium enthält, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :
(a) das Kohlenstoff und Silicium enthaltende Ausgangsma-3Q terial wird im wesentlichen kontinuierlich einer Vorheizzone zugeführt zwecks Trocknung,
(b) das getrocknete Ausgangsmaterial wird im wesentlichen kontinuierlich einer Heizzone zugeführt und
(c) das getrocknete Ausgangsmaterial wird im ungestörten or Zustand durch die Heizzone einer solchen Temperatur und in einer solchen Zeit geführt, daß das Wachstum von Siliciumcarbid-Whiskern gefördert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Verfahrensschritt:
(d) das aufgeheizte Ausgangsmaterial wird nach Durchlaufen des Verfahrensschritts (c) auf Umgebungstemperatur
zurückgekühlt.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt (c) in einer
im wesentlichen inerten Atmosphäre durchgeführt wird.
10
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die inerte Atmosphäre Stickstoff
oder Argon enthält.
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Aufheiz-Verfahrensschritt (c)
den weiteren Verfahrensschritt:
(d) ein im wesentlichen kontinuierliches Reinigen der
Heizzone von gasförmigen Substanzen
umfaßt.
18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Aufheiz-Verfahrensschritt (c)
den weiteren Verfahrensschritt:
(d) ein im wesentlichen kontinuierliches Einführen von
einem im wesentlichen inerten Gas in die Heizzone
während der Zeit, in der das Ausgangsmaterial durch
diese geführt wird,
umfaßt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß das Inertgas Stickstoff oder Argon
enthält.
20. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangsmaterial gekochte Reishülsen oder ein Gemisch aus Sand und wenigstens einem Pe-
-19 troleumdestillat umfaßt.
21. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangsmaterial durch die Heiz- zone während einer Zeit von mehr als 1 Stunde geführt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial innerhalb der Heizzone auf eine Temperatur zwischen annähernd 10000C und 18500C aufgeheizt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangsmaterial innerhalb der Heizzone in einem Temperaturbereich von etwa 10000C bis 185O0C aufgeheizt wird.
24. Ein im wesentlichen kontinuierliches Verfahren zur Bildung von Siliciumcarbid-Whiskern von einem Kohlenstoff und Silicium enthaltenden Ausgangsmaterial, g e k. e η η zeichnet durch folgenden Verfahrensschritt:
(a) das Ausgangsmaterial wird im wesentlichen kontinuierlich während einer Zeit größer als annähernd 1 Stunde im ungestörten Zustand durch eine Heizzone geführt, die einen Temperaturbereich von 10000C bis 18500C aufweist, um das im Ausgangsmaterial enthaltene Silicium und den Kohlenstoff zur Reaktion zwecks Bildung von Siliciumcarbid-Whiskern zu führen.
25. Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeich-η e t durch den weiteren Verfahrensschritt:
(b) Trocknen des Ausgangsmaterials vor dem Führen durch die Heizzone.
26. Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeich net durch den weiteren Verfahrensschritt:
(b) Rückkühlen des in der Heizzone (a) aufgeheizten Ausgangsmaterials auf Umgebungstemperatur.
27. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen gemäß dem Verfahrensschritt (a) in einer im wesentlichen inerten Atmosphäre
erfolgt.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet , daß die inerte Atmosphäre Stickstoff
oder Argon enthält.
29. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (a) Aufheizen
den weiteren Verfahrensschritt:
(b) im wesentlichen kontinuierliches Reinigen der Heizzone von gasförmigen Substanzen,
umfaßt.
30. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt (a) Aufheizen den weiteren Verfahrensschritt
(b) im wesentlichen kontinuierliches Einführen von inertem Gas in die Heizzone in der Zeit, in der das Ausgangsmaterial durch die Heizzone geführt wird,
umfaßt.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas Stickstoff oder Argon
enthält.
32. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch g e k e η η oQ zeichnet, daß das Ausgangsmaterial gekochte Reishülsen oder ein Gemisch von Sand und wenigstens einem Petroleumdestillat umfaßt.
33. Ein im wesentlichen kontinuierliches Verfahren zum Ri!den von Si 1iciumcarbid-Whiskern aus einem Kohlenstoff
und Silicium enthaltenden Ausgangsmaterial, gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt:
"■·.···-■ ·--····· ; 32A9270
(a) das Ausgangsmaterial wird im wesentlichen kontinuierlich im ungestörten Zustand durch eine Heizzone bei einer solchen Temperatur und für eine solche Zeitdauer geführt, die ausreicht, daß sich SiIiciumcarbid-Whiskcr bilden können.
34. Verfahren nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:
(b) das Ausgangsmaterial wird vor dem Zuführen zur Heizzone getrocknet.
35. Verfahren nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:
(b) das aufgeheizte Ausgangsmaterial wird nach Durchlaufen der Heizzone gemäß Verfahrensschritt (a) auf Umgebungstemperatur zurückgekühlt.
36. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt (a) Heizen in einer im wesentlichen inerten Atmosphäre durchgeführt wird.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet , daß die inerte Atmosphäre Stickstoff oder Argon enthält.
38. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt (a) Heizen den weiteren Verfahrensschritt (b), nämlich im wesentlichen kontinuierliches Reinigen der Heizzone von gasförmigen Verunreinigungen, umfaßt.
39. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch ge kennzeichnet , daß der Verfahrensschritt (a) Heizen den weiteren Verfahrensschritt (b), nämlich im wesentlichen kontinuierliches Einführen eines im wesentlichen inerten Gases in die Heizzone während der Zeit, in der das Ausgangsmaterial durch die Heizzone geführt wird, umfaßt.
_ 22-
40, Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet , daß das inerte Gas Stickstoff oder Argon umfaßt.
41. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangsmaterial gekochte Reishülsen oder ein Gemisch von Sand und wenigstens einem Petroleumdestillat umfaßt.
1^
42. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangsmaterial durch die Heizzone während eines Zeitraums größer als etwa 1 Stunde geführt wird.
1^
43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangsmaterial in der Heizzone auf eine Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 10000C bis 18500C aufgeheizt wird.
44. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangsmaterial in der Heizzone auf eine Temperatur im Bereich von etwa 10000C bis 18500C aufgeheizt wird.
45. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens für das kontinuierliche Herstellen von Siliciumcarbid-Whiskern nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
(a) eine Förderbahn (10, 11, 13) bildende Mittel, über die das Kohlenstoff und Silicium enthaltende Ausgangsmaterial im wesentlichen kontinuierlich im ungestörten Zustand durch eine Heizzone (16) zwecks Bildung von Siliciumcarbid-Whiskern führbar ist und
(b) durch die Heizzone (16) bildende Mittel entlang der
Förderbahn zwecks Erzeugung ausreichender Temperaturen zur Bildung dieser Siliciumcarbid-Whisker.
4ί'. Einrichtung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet , daß der Förderbahn eine Vielzahl von Behältern (9) für die Aufnahme des Ausgangsmaterials zugeordnet ist, mittels der dieses durch die Heizzone (16) führbar ist.
47. Einr chtung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß dem Förderweg zwecks Führung des Ausgangsmatorials durch die Heizzone (16) ein Förderband
(27) zugeordnet ist.
48. Einrichtung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet , daß eine stromab zur Heizzone (16) liegende Kühlzone (19) bildende Mittel vorgesehen sind zwecks Kühlung der Siliciumcarbid-Whisker auf Umgebungstemperatur.
49. Einrichtung nach Anj;pruch 45, dadurch gekennzeichnet , daß eine zur Heizzone (16) stromauf liegende Trockenzone (14) bildende Mittel vorgesehen sind zwecks Trocknung des Ausgangsmaterials vor Zuführung zui Heizzone.
50. Einrichtung nach Anspruch 49, dadurch g e k e η η zeichnet , daß zwischen der Trockenzone (14) und der Heizzone (16) eine Reinigungszone bildende Mittel (21) derart vorgesehen sind,daß sowohl der Trocken- als auch der Heizzone Inertgas zwecks Reinigung in der Weise zuführbar ist, daß dieses stromab durch die Heizzone (16) und stromauf durch die Trocknungszone (14) strömt.
51. Einrichtung nach Anspruch 49, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Trockenzone (14), daß das Ausgangsmaterial auf einen Temperaturbereich von etwa 6000C bis 8000C aufheizbar ist.
52. Einrichtung nach Anspruch 45, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Hei/.-
zone (18), daß das Ausgangsmaterial auf eine Temperatur im Bereich von etwa 10000C bis 18500C aufheizbar ist.
53. Einrichtung nach Anspruch 50, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Zuführungsmittel (21) für das Inertgas derart ausgebildet sind, daß das Inertgas im wesentlichen kontinuielich der Heiz- und Trockenzone (14, 18) zuführbar ist.
54. Einrichtung nach Anspruch 53, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Zuführmittel (21), daß das Inertgas mit einer Zuführrate im Bereich von etwa 1,4 bis 2,8 m3 pro Stunde zuführbar ist.
55. Einrichtung nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet , daß das Inertgas Stickstoff oder Argon enthält.
56. Einrichtung nach Anspruch 45, dadurch g e kennzeichnet, daß die Heizzone (18) Mittel
(25) zum direkten Ausblasen von Gas aus der Heizzone aufweist, ehe das Inertgas auf Temperaturen unter etwa 15000C fällt.
57. Einrichtung nach Anspruch 45, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Fördermittel (9, 27, 35), daß das von diesen geförderte Ausgangsmaterial durch die Heizzone (18) mit einer konstanten Fördergeschwindigkeit führbar ist, die den Zeitraum von einer Stunde übersteigt.
58. Einrichtung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizzone (18) von einer bei etwa 15 Volt arbeitenden Niedervoltelektrode aufheizbar ist.
59. Einrichtung nach Anspruch 45, dadurch ge-
1 kennzeichnet, daß sie ein Drehherz-Fördersystem (27), ein tunnel form ic/es SchachtoEcnijy.stetn, oder ein im wesentlichen kontinuierlich arbeitendes Schüttguttremsportsystem umfaßt.
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