DE3616578A1 - Aluminiumoxid-verbundkoerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Aluminiumoxid-verbundkoerper und verfahren zu seiner herstellung

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DE3616578A1
DE3616578A1 DE19863616578 DE3616578A DE3616578A1 DE 3616578 A1 DE3616578 A1 DE 3616578A1 DE 19863616578 DE19863616578 DE 19863616578 DE 3616578 A DE3616578 A DE 3616578A DE 3616578 A1 DE3616578 A1 DE 3616578A1
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Kazunori Meguro
Yasumi Nagai Yamagata Sasaki
Masayoshi Yamaguchi
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Aluminiumoxid-Verbundkörper und ein Verfahren zu dessen Herstellung, insbesondere auf einen Aluminiumoxid-Verbundkörper, der Aluminiumoxid, Aluminium und Silicium umfaßt..
Aluminiumoxid-Keramikmaterialien haben eine ausgezeichnete Härte, mechanische Festigkeit, Wärmebeständigkeit und chemische Stabilität. Ihre Wärmebeständigkeit ist gegenüber der anderer Keramikmaterialien wie Siliciumcarbid und Siliciumnitrid nicht gering. Zusätzlich sind Aluminiumoxid-Keramikmaterialien oillig, so daß die Aluminiumoxid-Keramikmaterialien als industrielle Keramikmaterialien weit verwendet werden, wie es durch die japanische Patentveröffentlichung, Offenlegungs-Nummer (KOKAI) 54-87716 (1979) beschrieben ist.
Herkömmlicherweise werden Aluminiumoxid-Keramikprodukte durch Formen von feinen Aluminiumoxidpartikeln in die gewünschte Form und danach durch Brennen der geformten Form oder durch gleichzeitiges Formen und Brennen feiner Aluminiumoxidpartikel hergestellt, wie es durch die japanische Patentveröffentlichung, Veröffentlichungs-Nummer (KOKAI) 57-95870 (1982) oder die japanische Patentveröffentlichung 59-25748 (1984) beschrieben ist. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, stellt ein herkömmliches Aluminiumoxid-Keramikmaterial Aluminiumpartikel 21 mit einer einfachen Form dar.
Herkömmliche Aluminiumoxid-Keramikmaterialien haben die folgenden Nachteile:
(1) Durch ihre Härte ist die -Bearbeitbarkeit schlecht.
(2) Wegen ihrer Brüchigkeit ist die Stoßsicherheit gering. Allgemein ausgedrückt ist die Stoßbruch-
beständigkeit der Keramikmaterialien gegenüber der von Metallen gering.
(3) Es ist schwierig, irgendwelche komplexen Formen der Aluminiumoxid-Keramikprodukte exakt zu formen.
(4) Die Brenntemperatur ist eine hohe Temperatur in der Ordnung von 1500 bis 1900 0C.
(5) Das Schrumpfen beim Brennen ist groß.
(6) Die thermische Stoßsicherheit ist gering.
(7) Die Schmierfähigkeit ist gegenüber der von Metallen gering.
Obwohl Aluminiumoxid-Keramikmaterialien viele ausgezeichnete Grundeigenschaften haben, können sie wegen dieser Nachteile nicht befriedigend als strukturelle Materialien verwendet werden, die härteste Anforderungen bei Festigkeit und mechanischer Zuverlässigkeit erfüllen müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aluminiumoxid-Verbundkörper zu schaffen, der ausgezeichnete Festigkeit und hohe mechanische Zuverlässigkeit hat.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aluminiumoxid-Verbundkörper zu schaffen, der integral an ein anderes Material, wie Aluminium, Quarzglas oder eine Siliciumverbindung verschieden von Siliciumoxid verbunden ist.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxid-Verbundkörpers zu schaffen, in dem jede komplexe Form leicht und bei niedrigen Herstellungskosten erreicht werden kann.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxid-Verbundkörpers zu schaffen, der an ein anderes Material wie Aluminium, Quarzglas oder eine Siliciumverbindung, verschieden von einem Oxid, verbunden ist.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erreicht, indem ein Aluminiumoxid-Verbundkörper geschaffen wird, der eine Vielzahl von verlängerten Aluminiumoxidelementen umfaßt, die in Zufallsrichtungen orientiert sind und untereinander verbunden sind, um eine poröse Matrix zu bilden, und daß Aluminium und Silicium durchgehend durch die poröse Matrix in inniger Verbindung mit dem Aluminium verteilt sind.
Nach einem weiteren Aspekt dieser Erfindung werden diese Aufgaben durch Schaffen eines Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxid-Verbundkörpers gelöst, das die Stufe des Reagierens eines geformten Glaskörpers, der im wesentlichen aus Siliciumdioxid besteht, mit Aluminium umfaßt, um das Siliciumdioxid in Aluminiumoxid zu ändern.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Aufgaben gelöst, indem ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxid-Verbundkörpers geschaffen wird, das die Stufen des Oxidierens eines geformten Körpers, der eine Siliciumverbindung verschieden von einem Siliciumoxid enthält, um Siliciumdioxid herzustellen, und des Reagie-
irons des Siliciumdioxids in dem geformten Körper mit Aluminium umfaßt, um das Siliciumdioxid in Aluminiunoxid zu ändern.
Weitere Aufgaben, Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen deutlich, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
Die beigefügten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt, der die Fein
struktur eines herkömmlichen Aluminiumoxid-Keramikmaterials zeigt,
Fig. 2 einen Querschnitt, der die Fein
struktur eines erfindungsgemäßen Aluminiumoxid-Verbundkörpers zeigt,
Fig. 3 eine Mikroaufnahme, die einen erfin
dungsgemäßen Aluminiumoxid-Verbundkörper zeigt,
Fig. 4 eine Mikroaufnahme bei IQOOfacher
Vergrößerung, die eine erfindungsgemäße poröse Aluminiumoxidmatrix zeigt,
Fig. 5 eine Mikroaufnahme bei 2000facher
Vergrößerung, die eine erfindungsgemäße poröse Aluminiumoxidmatrix zeigt,
Fig. 6 eine Mikroaufnahme bei 7000facher
Vergrößerung, die eine erfindungsgemäße poröse Aluminiumoxidmatrix zeigt,
Fig. 7 eine graphische Darstellung der
Feinporeneigenschaften einer erfindungsgemäßen porösen Aluminiumoxidmatrix,
Fig. 8, 9 und 10 schematische Darstellungen der
Reaktionsöfen zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren und
Fig. 11 und 12 schematische Erlauterungsansichten,
die eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlichen.
Ein erfindungsgemäßer Aluminiumoxid-Verbundkörper kann nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Zuerst wird ein geformter Glaskörper, der Siliciumdioxid (SiO2) umfaßt, wie ein geformter Quarzglaskörper, hergestellt. Der geformte Glaskörper kann in jede gewünschte Form geformt werden. Danach wird der geformte Glaskörper in geschmolzenes Aluminium von mindestens 99 % Reinheit getaucht, wünschenswerterweise mindestens 99,9 % rein, unter Vakuum von etwa 10 bis 15 Torr (13,33 . 10
2
19,99 . 10 Pa) oder in einer Inertgasatmosophäre.
Aluminium (Al) und Siliciumdioxid (SiO2) reagieren entsprechend der folgenden Gleichung:
4 Al + 3 SiO2 2 Al2O3 + 3 Si
so daß Siliciumdioxid in dem geformten Glaskörper in Aluminiumoxid (Al2O3) verändert wird. Als Ergebnis wird ein Aluminiumoxid-Verbundkörper, der Aluminiumoxid und eine feste Lösung von Aluminium und Siliciumdioxid umfaßt, hergestellt. Danach wird der Aluminiumoxid-Verbundkörper aus dem geschmolzenen Aluminium entfernt und danach während von etwa 30 bis 120 min unter Vakuum von etwa 10 bis 15 Torr (13,33 . 102 - 19,99 . 102 Pa) bei einer Temperatur von etwa 780 bis 950 0C erwärmt, was um von etwa 30 bis 200 0C höher als der Schmelzpunkt des Aluminiums ist. Dadurch wird ein Überschuß des geschmolzenen Aluminiums auf der Oberfläche des Aluminiumoxid-Verbundkörpers verdampft und entfernt, und alles unreagierte Siliciumdioxid wird dadurch mit Aluminium reagiert, und der Überschuß des geschmolzenen Aluminiums in dem Aluminiumoxid-Verbundkörper wird entfernt. Gleichzeitig wird die Dehnung in dem Aluminiumoxid-Verbundkörper eliminiert.
In einer anderen Ausfuhrungsform des Verfahrens wird Aluminium auf dem obengenannten Glaskörper unter einem
Vakuum von etwa 10 bis 15 Torr (13,33 , 102 - 19,99 .
10 Pa) oder in einer Inertgasatmosphare dampfabgelagert. Das Aluminium hat wünschenswerterweise eine Reinheit von mindestens 99 %, am bevorzugtesten von mindestens 99,9 %. Aluminium und Siliciumdioxid reagieren entsprechend der folgenden Gleichung:
4 Al + 3 SiO2 2 Al2O3 + 3 Si
so daß Siliciumdioxid in dem geformten Glaskörper in Aluminiumoxid geändert wird. Als Ergebnis wird ein Aluminiumoxid-Verbundkörper hergestellt, der Aluminiumoxid und eine feste Lösung von Aluminium und Silicium umfaßt.
In beiden vorangegangenen Verfahren umfaßt der geformte Glaskörper ein Siliciumdioxidmaterial wie Quarzglas. Falls erwünschtr kann der geformte Glaskörper andere Oxide, wie Aluminiumoxid, Natriumoxid und/oder Calciumoxid einschließen. Der geformte Glaskörper kann ebenfalls aus einem Einzelstück, einem Faserbündel oder einem Bündel von Haarkristallen oder aus Siliciumdioxid in jeder anderen Form bestehen.
Weiterhin kann in dieser Erfindung der Aluminiumüberschuß beibehalten werden, um den Aluminiumoxid-Verbundkörper zu verbinden. Falls erforderlich, kann der Aluminiumüberschuß die Oberfläche des Aluminiumoxid-Verbundkörpers als eine Aluminiumschicht bedecken, um eine Zweischichtstruktur zu schaffen, die aus dem Aluminiumoxid-Verbundkörper und der Aluminiumschicht besteht. Ebenfalls kann ein Teil des geformten Glaskörpers mit Aluminium reagieren. Falls erforderlich, kann die Oberfläche des geformten Glaskörpers mit Aluminium reagieren, um eine Zweischichtstruktur zu schaffen, die aus einer Aluminiumoxid-Verbundschicht, mit z. B. einer Dicke von etwa 1 um bis 100 pm auf dem darunterliegenden geformten Glaskörper besteht.
Der resultierende Aluminiumoxid-Verbundkörper umfaßt eine große Anzahl von verlängerten Aluminiumoxidelementen, die in Zufallsrichtungen orientiert sind und untereinander verbunden sind, um eine poröse Aluminiumoxidmatrix zu bilden, die eine große Anzahl von feinen Poren und eine feste Lösung von Aluminium und Silicium enthält, das die feinen Poren der Matrix dicht füllt. Die Aluminiumoxidelente haben komplizierte Formen und sind untereinander verbunden, um eine dreidimensional vernetzte Struktur zu bilden. Die Poren der porösen Aluminiumoxidmatrix haben einen durchschnittlichen
Porenradius von etwa 0,5 um bis etwa 1,5 pm. Mindestens 90 % der feinen Poren haben einen Porenradius von etwa 0,1 um bis 10 um. Die poröse Aluminiumoxidmatrix hat eine scheinbare Porosität von etwa 20 bis 30 %. Der Aluminiumoxidverbundkörper hat wünschenswerterweise eine Gaspermeabilität von weniger als etwa 1 %. Auf der anderen Seite weist der resultierende Aluminiumoxid-Verbundkörper eine Biegefestigkeit von etwa 380 bis 490 MPa und eine Vickers-Härte von etwa 1300 bis 2000 kg/mm2, einen kritischen Spannungsintensitätsfaktor (Kic) von von etwa
3/2
5,8 bis 6,8 MN/mm und eine Rohdichte von von etwa 3,20 bis 3,60 g/cm3 auf.
Weiterhin umfaßt der Aluminiumoxid-Verbundkörper wünschenswerterweise 50 bis 90 Gew.-% Aluminiumoxid, 5 bis 25 Gew.-% Aluminium und 2 bis 25 Gew.-% Silicium. Die Zusammensetzung des Aluminiumoxid-Verbundkörpers kann durch Veränderung der Reaktionszeit zwischen dem geformten Glaskörper und dem Aluminium eingestellt werden. Zum Beispiel löst sich beim Tauchverfahren während des Tauchens das Silicium, das durch die Reaktion des Siliciumdioxids mit dem geschmolzenen Aluminium gebildet wird;in dem geschmolzenen Aluminium, wodurch sich der Siliciumgehalt des Aluminiumoxid-Verbundkörpers verringert.
Der Gehalt an Aluminiumoxid, Aluminium und Silicium ist aus den folgenden Gründen, wie es oben genannt ist, begrenzt:
(1) Wenn der Aluminiumoxidgehalt kleiner als 50 Gew.-% beträgt, sind die mechanische Festigkeit und die Wärmebeständigkeit geringer, und die Abriebbeständigkeit ist gering. Falls wechselweise der Aluminiumoxidgehalt 90 Gew.-% übersteigt, ist die Bruchzähigkeit gering, und der Verbundkörper ist brüchig.
(2) Wenn der Aluminiumgehalt kleiner als 5 Gew.-% ist, sind der Aluminiumoxid- und Siliciumgehalt erhöht, und die Bruchzähigkeit ist gering. Falls wechselweise der Aluminiumgehalt 25 Gew.-% übersteigt, ist die Abriebbeständigkeit geringer.
(3) Wenn der Siliciumgehalt kleiner als 2 Gew.-% ist, werden die Festigkeitseigenpchaften nicht beeinflußt, aber eine äußerst lange Zeit ist erforderlich, um den geformten Glaskörper mit Aluminium zu reagieren, um den Siliciumgehalt zu verringern, und deshalb steigen die Herstellungskosten. Falls wechselweise der Siliciumgehalt 25 Gew.-% übersteigt, verringert sich die mechanische Festigkeit.
In einem anderen Verfahren der Herstellung eines Aluminiumoxid-Verbundkörpers wird zuerst ein geformter Körper, der eine Siliciumverbindung, verschieden von einem Oxid des Siliciums, wie Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid umfaßt, hergestellt. Der Körper kaan in jede gewünschte Form geformt werden. Danach wird der geformte Körper in einer oxidierenden Atmosphäre erwärmt und oxidiert, so daß Siliciumdioxid in dem geformten Körper erzeugt wird. Dann reagiert der Siliciumdioxid enthaltende geformte Körper mit Aluminium durch das Tauchverfahren oder durch das Dampfablagerungsverfahren. Aluminium und Siliciumdioxid reagieren entsprechend der folgenden Gleichung:
4Al + 3 SiO2 2 Al2O3 + 3 Si
so daß das Siliciumdioxid in dem oxidierten, geformten Körper in Aluminiumoxid geändert wird. Als Ergebnis wird mindestens ein Teil des ursprünglich geformten Körpers des Siliciummaterials, verschieden von einem Oxid, in ein Aluminiumoxid-Verbundmaterial umgewandelt, das
Aluminiumoxid und eine feste Lösung von Aluminium und Silicium umfaßt. Wenn das Tauchverfahren verwendet wird, kann der Verbundkörper unter Vakuum von etwa 10 bis 15 Torr (13,33 . 102 - 19,99 . 102 Pa) bei einer Temperatur von etwa 780 bis 950 0C nach der Entfernung aus dem geschmolzenen Aluminium erwärmt werden. Alles unreagierte Silicium reagiert dadurch mit Aluminium, und ein Überschuß des geschmolzenen Aluminiums auf der Oberfläche des Aluminiumoxid-Verbundkörpers wird verdampft und entfernt. Auch die Dehnung in dem Aluminiumoxid-Verbundkörper wird gleichzeitig eliminiert.
In dem oben beschriebenen Verfahren kann der geformte Körper, der eine Siliciumverbindung verschieden von einem Oxid umfaßt, nur teilweise oxidiert werden, so daß ein Aluminiumoxid-Verbundkörper hergestellt wird, der mit dem Körper der Silicium-Nichtoxidverbindung verbunden ist.
Die Erfindung wird weiter im Detail anhand der folgenden nicht begrenzenden Beispiele verdeutlicht.
Beispiel 1
Fig. 8 zeigt schematisch ein Beispiel eines Reaktionsofens zur Herstellung eines Aluminiumoxid-Verbundkörpers. Der Reaktionsofen 1 ist aus Quarzglas hergestellt und ist an seiner Oberseite offen und an seiner Unterseite geschlossen. Ein Schmelztiegel 2 aus hochreinem Kohlenstoff ist innerhalb des Reaktionsofens angeordnet. Ein Verschluß 3 ist an der Oberseite des Reaktionsofens 1 angeordnet, und ein Einlaßabschnitt 4 ist auf dem Verschluß 3 angeordnet. Ein anderer Verschluß 5 ist auf einer Seite des Einlaßabschnittes 4
angeordnet. Eine Halteeinrichtung, wie Leitung 6, erstreckt sich vertikal durch den Einlaßabschnitt 4 und den Verschluß 3. Ein oberer Teil der Halteeinrichtung ist an einen vertikalen Antriebsmechanismus 13 verbunden, so daß sich die Halteeinrichtung 6 nach oben und unten bewegen kann. Das untere Ende der Halteeinrichtung 6 ist so gestaltet, um einen geformten Glaskörper zu halten. Ein Auslaß 8 ist auf einer Seite in Richtung der Oberseite des Reaktionsofens 1 gebildet und an eine Vakuumpumpe 9 verbunden. Eine Heizeinrichtung 10 ist außerhalb des Reaktionsofens 1 in einer Spiralform angeordnet. Die Wicklungen der Heizeinrichtung 10 sind über dem Schmelztiegel 2 enger aneinander angeordnet, als benachbart am Schmelztiegel, so daß der Bereich über dem Schmelztiegel auf höhere Temperaturen erwärmt werden kann. Ein Rohr 11 aus hochreinem Kohlenstoff ist innerhalb des Hochtemperaturbereiches angeordnet. Der Schmelztiegel 2 wird mit geschmolzenem 99,9 % reinem Aluminium 12 gefüllt.
Ein Glaskörper 7, bestehend aus einem einzelnen zylindrischen Quarzglasstück, wurde hergestellt. Der Verschluß wurde geöffnet, der geformte Glaskörper 7 wurde an das untere Ende der Halteeinrichtung 6 im Einlaßabschnitt angebracht, und danach wurde der Verschluß 5 geschlossen. Als nächstes wurde der Verschluß 3 geöffnet, und der geformte Glaskörper 7 wurde in das geschmolzene Aluminium 12 von einer Temperatur von 750 0C gesenkt. Der geformte Glaskörper 7 wurde in das geschmolzene Aluminium 12 unter Vakuum von 15 Torr (19,99 . 102 Pa) 30 min lang getaucht. Aluminium und Siliciumdioxid reagierten entsprechend der folgenden Gleichung:
4 Al + 3SiO2 2 Al2O3 + 3 Si
so daß das Siliciumdioxid in dem geformten Glaskörper 7 in Aluminiumoxid geändert wurde. Folglich wurde ein Aluminiumoxid-Verbundkörper hergestellt, der Aluminiumoxid, Aluminium und Silicium umfaßt. Die Halteeinrichtung 6 wurde danach gehoben, um den Aluminiumoxid-Verbundkörper aus dem geschmolzenen Aluminium 12 zu entfernen und ihn in Rohr 11 hochzuheben. Der Aluminiumoxid-Verbundkörper wurde in Rohr 11 bei einer Temperatur von 800 0C 50 min lang erwärmt. Als nächstes wurde der Aluminiumoxid-Verbundkörper nach oben in den Einlaßabschnitt 4 bewegt, und der Verschluß 3 wurde geschlossen. Der Verschluß 5 wurde danach geöffnet, und der Aluminiumoxid-Verbundkörper wurde von der Halteeinrichtung 6 gelöst.
Der resultierende Aluminiumoxid-Verbundkörper ist in Fig. 2 und 3 gezeigt. Fig. 3 ist eine Mikroaufnahme, die die Feinstruktur des Aluminiumoxid-Verbundkörpers zeigt, und Fig. 2 ist eine erklärende Ansicht von Fig. 3. Wie es aus den Fig. 2 und 3 deutlich wird, umfaßt der erfindungsgemäße Aluminiumoxid-Verbundkörper viele verlängerte Aluminiumoxidelemente 22 und eine feste Lösung 23 von Aluminium und Silicium. Die Aluminiumoxidelemente 22 sind in Zufallsrichtungen orientiert und untereinander verbunden, um eine poröse Aluminiumoxidmatrix zu bilden. Die feste Lösung 23 von Aluminium und Silicium füllt die Poren der porösen Aluminiumoxidmatrix dicht.
Die poröse Aluminiumoxidmatrix, aus der die feste Lösung durch Ätzen entfernt wurde, ist in Fig. 4 bis 6 gezeigt. Die poröse Aluminiumoxidmatrix umfaßt eine große Anzahl von verlängerten Aluminiumoxidelementen mit komplizierten Formen, die untereinander verbunden sind, um eine dreidimensional vernetzte Struktur zu schaffen. Fig. 7 zeigt die Porenverteilung der porösen Aluminiumoxid-
matrix. Entsprechend Fig. 7 sind die Poren der Aluminiumoxidmatrix fein und haben Radien zwischen etwa 0,1 um und 10 um und einen durchschnittlichen Porenradius zwischen etwa 0,9 und 1 um.
Der resultierende Aluminiumoxid-Verbundkörper war aus Gew.-% Aluminiumoxid, 16 Gew.-% Aluminium und 8 Gew.-% Silicum zusammengesetzt. Der Aluminiumoxid-Verbundkörper zeigte eine Biegefestigkeit von 450 MPa, eine Vickers-Härte von 1600 kg/mm2, einen kritischen Spannungsintensitätsfaktor (Kic) von 6,2 MN/mm , eine Rohdichte von 3,40 g/cm3 und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10 . 10"6/°C.
Beispiel 2
Fig. 9 zeigt schematisch ein Beispiel einer Dampfablagerungs-Vorrichtung zur Herstellung eines Aluminiumoxid-Verbundkörpers. Der Reaktionsofen 1 ist aus Quarzglas hergstellt und ist an seiner Oberseite offen und an seiner Unterseite geschlossen. Ein Schmelztiegel 2 aus hochreinem Kohlenstoff ist innerhalb des Reaktionsofens 1 angeordnet. Ein Verschluß 3 ist auf der Oberseite des Reaktionsofens 1 angeordnet. Ein Einlaßabschnitt 4 ist auf dem Verschluß 3 angeordnet. Ein weiterer Verschluß ist auf einer Seite des Einlaßabschnittes 4 angeordnet. Eine Halteeinrichtung, wie eine Leitung 6, erstreckt sich vertikal durch den Einlaßabschnitt 4 und den Verschluß 3. Ein oberer Teil der Halteeinrichtung 6 ist an einen vertikalen Antriebsmechanismus 13 angefügt, und das untere Ende der Halteeinrichtung 6 ist so gestaltet, um einen geformten Glaskörper 7 zu halten. Ein Auslaß 8 ist auf einer Seite in Richtung der Oberseite des Reaktionsofens 1 gebildet und an eine Vakuumpumpe
verbunden. Eine Heizeinrichtung 10 ist spiralförmig außerhalb des Reaktionsofens 1 angeordnet, insbesondere außerhalb des Schmelztiegels 2 und der Region oberhalb des Schmelztiegels. Der Schmelztiegel 2 wird mit 99,9 % reinem geschmolzenen Aluminium 12 gefüllt.
Ein Glaskörper 7, der aus einem einzelnen rohrförmigen Stück von Quarzglas besteht, wurde hergestellt. Der Verschluß 5 wurde geöffnet, der geformte Glaskörper 7 wurde an das untere Ende der Halteeinrichtung 6 angepaßt und der Verschluß 5 wurde danach geschlossen. Als nächstes wurde der Verschluß 3 geöffnet, und der geformte Glaskörper 7 wurde auf eine Stellung oberhalb des Schmelztiegels 2, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, gesenkt. Der geformte Glaskörper 7 wurde bei einer Temperatur von 900 0C unter einem Vakuum von 15 Torr (19,99 . 102 Pa) gehalten. Das geschmolzene Aluminium 12 wurde auf eine Temperatur von 1200 0C erwärmt und verdampft, so daß Aluminium 60 min lang auf dem geformten Glaskörper dampfabgelagert wurde. Aluminium und Siliciumdioxid reagierten entsprechend der folgenden Gleichung:
4 Al + 3 SiO2 2 Al2O3 + 3 Si
so daß das Siliciumdioxid in dem geformten Glaskörper 7 in Aluminiumoxid geändert wurde und ein Aluminiumoxid-Verbundkörper hergestellt wurde. Danach wurde die Halteeinrichtung 6 gehoben, bis der Aluminiumoxid-Verbundkörper in den Einlaßabschnitt 4 gelangte. Nachdem der Verschluß 3 geschlossen wurde, wurde der Verschluß 5 geöffnet, und der Aluminiumoxid-Verbundkörper wurde von der Halteeinrichtung 6 gelöst.
Der resultierende Aluminiumoxid-Verbundkörper umfaßte eine große Anzahl von verlängerten Aluminiumoxidelemten,
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die in Zufallsrichtungen orientiert waren und untereinander verbunden waren, um eine poröse Aluminiumoxidmatrix zu bilden, und eine feste Lösung von Aluminium und Silicium füllte die Räume zwischen den Aluminiumoxidelementen dicht. Die Aluminiumoxidelemente hatten komplizierte Formen und waren untereinander verbunden, um eine dreidimensional vernetzte Struktur zu bilden. Der Aluminiumoxid-Verbundkörper war aus 74 Gew.-% Aluminiumoxid, 15 Gew.-% Aluminium und 11 Gew.-% Silicium zusammengesetzt und zeigte eine Biegefestigkeit von 400 MPa.
Beispiel 3
Fig. 10 zeigt schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung zum Herstellen eines Aluminiumoxid-Verbundkörpers, der an einen Körper einer Siliciumverbindung, verschieden von einem Siliciumoxid, gebunden ist. Der Reaktionsofen
1 ist aus Quarzglas und ist an seiner Oberseite offen und an seiner Unterseite geschlossen. Ein Schmelztiegel
2 aus hochreinem Kohlenstoff ist innerhalb des Reaktionsofens 1 angeordnet. Ein Verschluß 3 ist auf der Oberseite des Reaktionsofens 1 angeordnet. Ein Heizabschnitt 15 ist auf der Oberseite des Verschlusses 3 angeordnet. Ein Einlaßabschnitt 4 ist durch einen Verschluß 16 auf der Oberseite des Heizabschnittes 15 befestigt. Ein weiterer Verschluß 5 ist an einer Seite des Einlaßabschnittes 4 angeordnet. Eine Halteeinrichtung, wie Leitung 6, erstreckt sich vertikal durch den Einlaßabschnitt 4, den Verschluß 16, den Heizabschnitt 15 und den Verschluß 3. Der obere Teil der Halteeinrichtung 6 ist an einen vertikalen Antriebsmechanismus 13 verbunden, so daß die Halteeinrichtung 6 gehoben und gesenkt werden kann. Das untere Ende der Halteeinrichtung 6 ist so gestaltet, um einen geformten Körper 7 zu halten. Ein
Auslaß 8 ist auf einer Reite in Richtunq der Oberseite des Reaktionsofens 1 gebildet und an eine Vakuumpumpe 9 verbunden. Eine Heizeinrichtung 10 ist spiralförmig außerhalb des Reaktionsofens 1 angeordnet. Die Wicklungen der Heizeinrichtung 10, benachbart zum Schmelztiegel 2, sind weiter voneinander entfernt als die oberhalb des Schmelztiegels 2, so daß der Bereich oberhalb des Schmelztiegels 2 auf eine höhere Temperatur erwärmt werden kann. Ein Rohr 11 aus hochreinem Kohlenstoff ist innerhalb des höheren Temperaturbereiches angeordnet. Eine weitere Heizeinrichtung 18 ist außerhalb des Heizabschnittes 15 angeordnet, und ein Aluminiumoxidrohr 19 ist innerhalb des Heizabschnittes 15 angeordnet. Der Schmelztiegel 2 wird mit geschmolzenem Aluminium 12 von 99,9 % Reinheit gefüllt.
Ein zylindrischer Siliciumcarbidkorper 7 wurde hergestellt. Der Verschluß 5 wurde geöffnet, der zylindrisch geformte Siliciumcarbidkorper 7 wurde an das untere Ende der Halteeinrichtung 6 befestigt, und der Verschluß 5 wurde geschlossen. Als nächstes wurde der Verschluß 16 geöffnet, und die Halteeinrichtung 6 wurde gesenkt, wonach der Verschluß 16 wieder geschlossen wurde. Der geformte Siliciumcarbidkorper 7 wurde im Rohr 19 gehalten und in Luft bei einer Temperatur von 1200 0C 48 h lang erwärmt, so daß der geformte Siliciumcarbidkorper teilweise oxidiert war, um Siliciumdioxid zu erzeugen. Der Verschluß 3 wurde dann geöffnet, der geformte Körper des teilweise oxidierten Siliciumcarbids wurde weiter gesenkt, und der Verschluß 3 wurde wieder geschlossen. Der geformte Körper 7 wurde in das hochreine geschmolzene Aluminium 12 unter einem Vakuum von 15 Torr
2
(19,99 . 10 Pa) bei einer Temperatur von 750 0C 30 min lang getaucht. Aluminium und Siliciumdioxid reagierten entsprechend der folgenden Gleichung:
4 Al + 3 SiO2 2 Al2O3 + 3 Si
so daß das Siliciumdioxid in dem geformten Siliciumcarbidkorper 7 in Aluminiumoxid geändert wurde. Folglich wurde ein Aluminiumoxid-Verbundkörper hergestellt, der an den geformten Siliciumcarbidkorper gebunden war. Der Aluminiumoxid-Verbundkörper wurde dann gehoben und aus dem geschmolzenen Aluminium 12 entfernt. Nachdem der Aluminiumoxid-Verbundkörper auf eine Position innerhalb des Rohrs 11 gehoben wurde, wurde er 50 min lang bei einer Temperatur von 800 0C erwärmt. Als nächstes wurden die Verschlüsse 3 und 16 geöffnet und der Aluminiumoxid-Verbundkörper wurde bis zum Einlaßabschnitt 4 gehoben. Die Verschlüsse 3 und 16 wurden dann geschlossen, der Verschluß 5 geöffnet und der Aluminiumoxid-Verbundkörper wurde von der Halteeinrichtung 6 entfernt.
Der entstandene Aluminiumoxid-Verbundkörper umfaßte Aluminiumoxid, Aluminium und Silicium. Eine feste Lösung von Aluminium und Siliciumdioxid füllte die Poren einer porösen Aluminiumoxidmatrix dicht, die viele verlängerte Aluminiumoxidelemente umfaßte, die in Zufallsrichtungen orientiert und untereinander verbunden waren. Der AIuniumoxid-Verbundkörper war an der Oberfläche des geformten Siliciumcarbidkorpers angeordnet und an diesen verbunden. Der Aluminiumoxid-Verbundkörper, der mit dem geformten Siliciumcarbidkorper verbunden war, zeigte eine Biegefestigkeit von 400 MPa. Diese Biegefestigkeit war gegenüber der von Siliciumcarbid (100 MPa) überlegen.
Beispiel 4
Ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxid-Verbundkörpers, der mit einem Aliaminiumkörper verbunden ist, wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 beschrieben. Ein geformter Glaskörper 31 aus Quarzglas wurde hergestellt. Der geformte Glaskörper 31 hatte eine Gefäßform, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Als nächstes, wie es in Fig. 12 gezeigt ist, wurde geschmolzenes Aluminium 32 mit einer Reinheit von 99,9 % bei einer Temperatur von 750 0C in den geformten Glaskörper 31 in einer Inertgasatmosphäre gegossen und 3 h lang gehalten. Aluminium und Siliciumdioxid reagierten entsprechend der Gleichung:
4 Al + 3 SiO2 2 Al2O3 + 3 Si
so daß das Siliciumdioxid in dem geformten Glaskörper in Aluminiumoxid geändert wurde. Ein Aluminiumoxid-Verbundkörper, der Aluminiumoxid, Aluminium und Siliciumdioxid umfaßt, wurde hergestellt. Der Aluminiumoxid-Verbundkörper wurde auf eine Temperatur von 800 0C 50 min lang erwärmt. Nachfolgend wurde der Aluminiumoxid-Verbundkörper und das geschmolzene Aluminium auf eine Temperatur niedriger als der Schmelzpunkt des Aluminiums gekühlt, so daß das geschmolzene Aluminium fest wurde, um einen Aluminiumkörper zu bilden, der an den Aluminiumoxid-Verbundkörper gebunden war.
Beispiel 5
Ein Quarzglasrohr mit einem Durchmesser von 70 mm, einer Dicke von 6 mm und einer Länge von 1000 mm wurde hergestellt. Die Innenseite des Quarzglasrohres wurde fest
abgedichtet, indem Quarzglasplatten über den Enden des Rohres befestigt wurden. Unter Verwendung eines Reaktionsofens, wie er in Fig. 9 gezeigt ist, wurde Aluminium mit einer Reinheit von 99,9 % auf dem Quarz-
2 glasrohr unter Vakuum von 15 Torr (19,99 . 10 Pa) bei einer Temperatur von 1200 0C 3 min lang danpfabgelagert. Aluminium und Siliciumdioxid an der Oberfläche des Quarzglasrohres reagierten entsprechend der Gleichung:
4 Al + 3 SiO2 2 Al2O3 +3 Si
so daß Siliciumdioxid an der Oberfläche des Rohres in Aluminiumoxid geändert wurde. Abschließend wurden die Enden des Quarzglasrohres auf die gewünschte Länge abgeschnitten. Das resultierende Rohr hatte eine Zweischichtstruktur, die eine äußere Schicht von Aluminiumoxid-Verbundmaterial und eine innere Schicht von Quarzglas umfaßte. Das Aluminiumoxid-Verbundmaterial, das die Außenschicht des Rohres bildete, hatte eine Dicke von 5 um. Der Durchbiegewert des Rohres betrug nur 1,17, wenn das Rohr auf eine Temperatur von 1200 0C 200 h lang erwärmt wurde. Ein Verqleichs-Quarzglasrohr hatte einen Durchbiegewert von 1,97. Der Durchbiegewert des Rohres bedeutete das Verhältnis seines horizontalen Durchmessers zur seinem vertikalen Durchmesser. Das Rohr, das das Aluminiumoxid-Verbundmaterial und die Quarzglasschicht umfaßt, ist für ein Brennofenkernrohr für die Herstellung von Halbleitern geeignet.
Wie oben beschrieben wurde, kann der erfindungsgemäße Aluminiumoxid-Verbundkörper leicht hergestellt werden, sogar wenn das Produkt eine komplexe Form hat. Der erfindungsgemäße Verbundkörper hat eine hervorragende mechanische Eigenschaft und Abriebbeständigkeit, genauso wie verbesserte Zähigkeit und Schmierfähigkeit im
Vergleich mit herkömmlichen Aluminiumoxid-Keramikmaterialien. Darüber hinaus hat der Aluminiumoxid-Verbundkörper im Vergleich mit Metallen ein bemerkenswert geringes spezifisches Gewicht. Auch ein Aluminiumoxid-Verbundkörper, der an ein anderes Material gebunden ist, wie Aluminium, Quarzglas, Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid, kann leicht hergestellt werden, und hat ausgezeichnete mechnische Festigkeit und Abriebbeständigkeit. Folglich kann der Aluminiumoxid-Verbundkörper für technische Keramik, Biokeramik, wärmebeständige Materialien usw. angewendet werden.
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Claims (28)

PATENTANWALT Toshiba Oramics Co., Ltd. K 23 26-2 Nishi-Shinjuku 1-chome Shinjuku-ku, Tokyo, Japan Aluminiumoxid-Verbundkörper und Verfahren zu seiner Herstellung Patentansprüche
1. Aluminiumoxid-Verbundkörper, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Vielzahl verlängerter Aluminiumoxidelemente umfaßt, die in Zufallsrichtungen orientiert sind und untereinander verbunden sind, um eine poröse Matrix zu bilden, und das Aluminium und Silicium diese poröse Matrix dicht füllt.
2. Aluminiumoxid-Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er von etwa 5 bis 90 Gew.-% Aluminiumoxid, von etwa 5 bis 25 Gew.-% Aluminium und von etwa 2 bis 25 Gew.-% Silicium umfaßt.
3. Aluminiumoxid-Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium und Silicium eine feste Lösung bilden.
4. Aluminiumoxid-Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er integral an ein anderes Material verbunden ist.
5. Aluminiumoxid-Verbundkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Quarzglas und Siliciumverbindungen, die von Oxiden des Siliciums verschieden sind, besteht.
6. Aluminiumoxid-Verbundkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumverbindungen Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid umfassen.
7. Aluminiumoxid-Verbundkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens etwa 90 % der Poren der porösen Matrix einen Porenradius von etwa 0,1 um bis 10 um haben.
8. Aluminiumoxid-Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Matrix feine Poren umfaßt, die einen durchschnittlichen Porenradius von etwa 0,5 um bis 1,5 um haben.
9. Aluminiumoxid-Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Matrix eine scheinbare Porosität von etwa 20 bis 30 % hat.
10. Aluniiniumoxid-Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Gaspermeabilität von weniger als etwa 1 % hat.
11. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxid-Verbundkörpers, gekennzeichnet durch die Stufe des Reagierens eines geformten Glaskörpers, der im wesentlichen aus Siliciumdioxid besteht, mit Aluminium, um das Siliciumdioxid in Aluminiumoxid zu verändern.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Reaktionsstufe unter Vakuum von etwa 10 bis 15 Torr (13,33 . 102 - 19,99 . 102 Pa) durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Reaktionsstufe in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der geformte Glaskörper Quarzglas umfaßt.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der geformte Glaskörper aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Einzelstück, einem Faserbündel oder einem Bündel von Haarkristallen besteht.
16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil des geformten Glaskörper mit Aluminium reagiert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aluminiumüberschuß beibehalten wird, um eine Aluminiumschicht zu erzeugen, die mit dem Aluminiumoxid-Verbundkörper integral verbunden ist.
18. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Reaktionsstufe durch Tauchen des geformten Glaskörpers in geschmolzenes Aluminium durchgeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet , daß das Aluminium eine Reinheit von mindestens etwa 99 % hat.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium eine Reinheit von mindestens 99,9 % hat.
21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß es weiterhin die Stufe des Erwärmens des Aluminiumoxid-Verbundkörpers auf eine Temperatur von etwa 780 bis 950 0C umfaßt.
22. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Reaktionsstufe durch Dampfablagerung von Aluminium auf dem geformten Glaskörper durchgeführt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß das Aluminium eine Reinheit von mindestens etwa 99 % hat.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium eine Reinheit von mindestens etwa 99,9 % hat.
25. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxid-Verbundkörpers, gekennzeichnet durch die Stufen des Oxidierens eines geformten Körpers, der eine Siliciumverbindung umfaßt, die vom Oxid des Siliciums verschieden ist, um Siliciumdioxid zu bilden, und der Reaktion des Siliciumdioxids in dem geformten Körper mit Aluminium, um das Siliciumdioxid in Aluminiumoxid zu verändern.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß die Siliciumverbindung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Siliciumcarbid und Siliciumnitrid besteht.
27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß nur ein Teil des geformten Körpers oxidiert wird.
28. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsstufe durch Erwärmen in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird.
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