DE3786105T2

DE3786105T2 - Kompakter keramischer koerper, insbesondere auf basis von siliciumnitrid und keramischen fasern und sein herstellungsverfahren.

Info

Publication number: DE3786105T2
Application number: DE8787301911T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiko Doi; Masaya Miyake; Akira Yamakawa
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1986-03-17
Filing date: 1987-03-05
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2007-03-06
Also published as: DE3751385T2; US4994418A; EP0494706A2; EP0240177A2; DE3751385D1; EP0494706B1; EP0494706A3; KR890002247B1; EP0240177A3; DE3786105D1; EP0240177B1; KR870008814A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geformten keramischen Körpers, der keramische Fasern enthält und eine ausgezeichnete Festigkeit und Zähigkeit aufweist. Die Effindung betrifft insbesondere einen kompakten keramischen Körper aus gesintertem Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;).
Keramische Materialien wurden in weitem Umfang als elektrisch funktionelle Materialien oder mechanische und strukturelle Materialien verwendet. Dies geschah aufgrund ihrer ausgezeichneten Eigenschaften. Der praktische Gebrauch keramischer Materialien unterlag jedoch beträchtlichen Beschränkungen, wenn es auf die mechanischen Eigenschaften ankam, da das Problem auftrat, daß eine Neigung zum Auftreten plötzlicher Brüche oder eines starken Nachlassens der Festigkeit aufgrund der Sprödigkeit keramischer Materialien besteht.
So wurden verschiedene Bemühungen unternommen, um die Zuverlässigkeit oder Festigkeit von keramischen Materialien zu verbessern. Bei Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Zirkonoxid (ZrO&sub2;), Siliciumcarbid (SiC) und insbesondere Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) wurden Zubereitungen und Herstellungsbedingungen im einzelnen untersucht. Außerdem wurde ein Einbau von Fasern, beispielsweise Metallfasern und Keramikfasern, zur Erhöhung der Festigkeit untersucht. Über keramische Materialien, die Keramikwhisker enthalten, beispielsweise einen kompakten Siliciumnitrid-Körper, der darin dispergiertes faserartiges Siliciumcarbid enthält, wurde berichtet. Dies ist beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung OPI (Kokai) Nr. 104,069/1983 offenbart.
Die GB 1,335,842 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines kompakten keramischen Körpers. In diesem Verfahren sind Keramikfasern und Siliciumpulver in einem Lösungsmittel unter Bildung einer Aufschlämmung dispergiert, die dann getrocknet und nitridiert wird, um einen mit Fasern verstärkten kompakten Siliciumnitrid-Körper zu bilden.
Die Untersuchungen der Zusammensetzungen und Herstellungsbedingungen haben jedoch die vorweggenommenen Ergebnisse nicht verwirklicht. Der Einbau von Fasern hat das Problem aufgeworfen, daß die Produktionskosten hoch sind und das einheitliche Dispergieren von Fasern sehr schwierig ist.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines kompakten keramischen Körpers bereit, das die Herstellung eines geformten Körpers aus Silicium, in dem keramische Fasern einheitlich dispergiert sind, durch Dispergieren von Siliciumpulver und Keramikwhiskern in einem Lösungsmittel unter Bildung einer Aufschlämmung und Entfernen des Lösungsmittels von der Aufschlämmung durch Einfüllen der Aufschlämmung in eine Form, durch die man nur das Lösungsmittel durchlaufen läßt, und dadurch Bilden des Siliciumkörpers und anschließendes Erhitzen und Nitridieren des geformten Körpers in einer Stickstoffatmosphäre unter Bildung eines mit Fasern verstärkten Siliciumnitrid-Kompaktkörpers umfaßt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das Lösungsmittel in der Weise entfernt wird, daß man die Aufschlämmung in der Form einer Zentrifugalkraft unterwirft und so den Siliciumkörper bildet, der die keramischen Fasern in einer Richtung parallel zur inneren Oberfläche der Form orientiert enthält.
Die vorliegende Erfindung stellt so ein Verfahren zur Herstellung eines kompakten keramischen Körpers mit einer exzellenten Hochtemperaturfestigkeit, Zähigkeit und Verläßlichkeit bereit.
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, die eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Zentrifugal-Gießformen darstellt, die für die praktische Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Im Rahmen der Erfindung wurden verschiedene Bemühungen unternommen, einen kompakten keramischen Körper zu erhalten, der in Bezug auf seine Hochtemperaturfestigkeit, Zähigkeit und Verläßlichkeit exzellent ist. Konsequenterweise wurde gefunden, daß eine Verbundstoff-Zubereitung, in der keramische Fasern einheitlich dispergiert sind, sehr exzellente Eigenschaften oder Leistungen zeigt, insbesondere daß eine Kombination einer Matrix aus Siliciumnitrid und Keramikfasern noch mehr exzellent ist, und daß ein Verfahren, das ein Dispergieren von Silicium und Keramikfasern und ein Nitridieren des Siliciums unter Bildung von Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) umfaßt, wirksam ist, um einen kompakteren gesinterten Körper zu erhalten. Dies bedeutet, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung einen kompakten keramischen Körper bereitstellt, der eine Matrix aus Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) und Keramikwhiskern umfaßt, die vorzugsweise aus Siliciumcarbidwhiskern bestehen und einheitlich darin verteilt und dispergiert sind, wobei die Matrix und die Fasern durch Reaktionssinterung eng aneinander gebunden sind.
Der oben beschriebene kompakte keramische Körper wird mittels eines Verfahrens hergestellt, das das Erhalten eines Formkörpers aus Silicium (Si), in dem Keramikfasern einheitlich dispergiert sind, und das anschließende Erhitzen und Nitridieren des Formkörpers in einer Stickstoffatmosphäre unter Bildung eines mit Fasern verstärkten Siliciumnitrid- (Si&sub3;N&sub4;-)Kompaktkörpers umfaßt.
Der geformte Keramikkörper besteht im wesentlichen aus einer keramischen Matrix und Keramikfasern, die darin einheitlich verteilt und mit einer bestimmten Richtungseigenschaft dispergiert sind.
In dem Verfahren des Standes der Technik wird ein Formkörper aus Siliciumnitrid und Keramikfasern erhalten und danach einem Verdichtungsschritt unterworfen. Im Gegensatz dazu wird in einer Ausführungsform der Erfindung der Verdichtungsschritt unter Nitridieren von Silicium durchgeführt, um eine Volumenschrumpfung während des Verdichtungsschritts zu verhindern. Dies bedeutet, daß ein Fasern enthaltender, geformter Körper oder Formkörper hinsichtlich seiner Dimension kaum verändert und damit auch kaum verdichtet wird. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat jedoch zum Ziel, ohne Änderung der Dimension solch eines geformten Körpers zu verdichten. In dieser Ausführungsform können beliebige Fasern aus der Gruppe langer Fasern und kurzer Fasern als Keramikfasern verwendet werden, jedoch sind Whisker aus Sicht der Kompatibilität bevorzugt. Whisker sollten im Zustand ausreichender Dispergierung verwendet werden. Als Keramikfasern können Fasern aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Slliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Siliciumcarbid (SiC), Kohlenstoff (C), Kaliumtitanat (K&sub2;TiO&sub3;) und Zirkonoxid (ZrO&sub2;) verwendet werden. Siliciumcarbid-Whisker werden besonders bevorzugt verwendet, da sie so kompatibel mit einer Matrix aus Siliciumnitrid sind, daß hervorragende Ergebnisse erzielt werden. Die Menge der Keramikfasern sollte bei 0,1 bis 45 Vol.-% liegen. Wenn die Menge bei weniger als 0,1 Vol.-% liegt, tritt durch Zusatz der Fasern keine Wirkung auf. Wenn eine über 45 Vol.-% liegende Menge verwendet wird, liegen zu viele Fasern vor, als daß sie einheitlich dispergiert werden könnten.
Die Herstellung des geformten Körpers erfolgt mittels eines Verfahrens, bei dem man ein Siliciumpulver und Keramikfasern in Form einer Aufschlämmung mischt und anschließend die Aufschlämmung einem zentrifugalen Gießformen in einer Form unterwirft. Gemäß dem vorliegenden Verfahren können so die keramischen Fasern einheitlich dispergiert, orientiert und geformt oder mit höherer Effizienz geformt werden. Als Lösungsmittel zum Mischen von Siliciumpulver und Keramikfasern unter Bildung einer Aufschlämmung können beispielsweise Wasser, Alkohol, Aceton, Hexan und dergleichen verwendet werden.
Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Schleudergießen (centrifugal casting) wie sie in dem Verfahren dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Darin wird eine Gießform 3 in einem geschlossenen Gefäß 1 bereitgestellt, das mittels einer Rotationsantriebseinrichtung 2 in Drehung versetzt werden soll. Das Gefäß 1 kann mittels einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) über ein Rohr 4 evakuiert werden. Die Gießform 3 ist aus einem Material hergestellt, das in der Lage ist, nur ein Lösungsmittel in einer Aufschlämmung 6, die ein Material 5 für einen kompakten Körper enthält, durchtreten zu lassen, beispielsweise Gips, Filterpapier und dergleichen. Insbesondere werden vorzugsweise Gips oder Filterpapier wegen der Leichtigkeit der Herstellung der Gießform und des niedrigeren Preises verwendet. Zum Gießformen kann mit besseren Ergebnissen eine reduzierte Atmosphäre angewendet werden. Um Bezug auf Figur 1 zu nehmen, wird das Material 5 für einen gesinterten kompakten Körper auf der Innenwandung der Gießform 3 aus der Aufschlämmung 6 gebildet.
Der so erhaltene geformte Körper wird unter üblichen Siliciumnitrid-Reaktionssinterungsbedingungen gesintert, vorzugsweise bei einer Temperatur von 1.300 bis 1.450 ºC in einer Stickstoffgasatmosphäre.
In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in einfacher Weise ein mit Fasern verstärkter Siliciumnitrid-Kompaktkörper mit exzellenter Hochtemperaturfestigkeit, Zähigkeit und Schlagfestigkeit durch einheitliches Dispergieren von Keramikfasern mit einer großen Festigkeit und nach Herstellen eines geformten Körpers, Reaktionssintern des Siliciums und so Bilden eines gesinterten kompakten Körpers, beispielsweise aus Si&sub3;N&sub4;, erhalten werden.
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein mit Fasern verstärkter Siliciumnitrid-(Si&sub3;N&sub4;-)Kompaktkörper mittels eines Verfahrens hergestellt, bei dem man Keramikfasern und ein Siliciumpulver, das 0,5 bis 40 Gew.-% wenigstens einer Verbindung enthält, die aus der aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Aluminiumnitrid (AlN), Zirkonoxid (ZrO&sub2;), Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;), Magnesiumoxid (MgO), Ceroxid (CeO&sub2;) und Lanthanoxid (La&sub2;O&sub3;) bestehenden Gruppe enthält, miteinander mischt, aus der resultierenden Mischung einen geformten Körper in einer solchen Weise herstellt, daß die Keramikfasern in einer vorbestimmten Richtung orientiert sind, den Formkörper aufheizt und in einer Stickstoffatmosphäre nitridiert und danach weiter den geformten Körper bei einer höheren Temperatur in einer Stickstoffatmosphäre sintert und verdichtet.
Das Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) bildet einen gesinterten, kompakten Körper mit wenigstens einem Sinterungshilfsmittel, das aus der aus Al&sub2;O&sub3;, AlN, ZrO&sub2;, Y&sub2;O&sub3;, MgO, CeO&sub2; und La&sub2;O&sub3; bestehenden Gruppe gewählt ist.
Die Menge des Sinterungshilfsmittels liegt vorzugsweise bei 0,5 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Siliciumnitrid. Wenn weniger als 0,5 Gew.-% verwendet wird, ist die Verdichtung eines gesinterten Körpers unzureichend, während dann, wenn mehr als 40 Gew.-% verwendet werden, die Hochtemperatureigenschaften wie beispielsweise die Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit, ausgesprochen verschlechtert werden. Bessere Ergebnisse können dadurch erhalten werden, daß man wenigstens zwei Sinterungshilfsmittel in Kombination zusetzt.
Als Keramikfasern können dieselben Keramikfasern in demselben Mengenverhältnis wie in der ersten Ausführungsform verwendet werden.
Die Matrix aus Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) wird dadurch gebildet, daß man einen geformten Körper oder Formkörper aus Silicium in Stickstoffgas bei einer Temperatur von 1.300 bis 1.450 ºC einer Reaktionssinterung unterwirft. Da ein gesinteter, kompakter Körper kaum dadurch erhalten wird, daß man nur den Schritt des Reaktionssinterns durchführt, wird das Produkt vorzugsweise einem weiteren Sinterungsschritt in Stickstoffgas bei einer Temperatur von 1.700 bis 1.900 ºC unterworfen. Es ist bevorzugt, dieses Stickstoffgas zu komprimieren, um zu verhindern, daß Si&sub3;N&sub4; zerfällt, jedoch ist dies nicht zwingend. Je nach den Gegebenheiten ist die Verwendung einer Heißhydrostatikpresse unter Anwendung von Stickstoffgas unter hohem Druck bevorzugt, um bessere Ergebnisse zu erzielen.
Ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen kompakten Keramikkörpers gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird nun veranschaulicht.
Zuerst wird ein geformter keramischer Körper, der Siliciumkörner, Keramikkörner und Keramikfasern, die in einer Richtung entlang der Kontur des geformten Keramikkörpers orientiert sind, durch ein neues Formungsverfahren erhalten, bei dem man Gebrauch von der Zentrifugalkraft macht, um die Orientierung der Faserkomponenten zu erreichen. Dieses Verfahren entspricht einer Verbesserung des Schlickergußverfahrens, das allgemein bei der Herstellung von keramischen Materialien gemäß dem Stand der Technik verwendet wird. Wenn eine Aufschlämmung nur in eine Gießform eingefüllt und in Form gegossen wird, ist nicht nur die Orientierung der Faserkomponenten unzureichend, sondern es ist auch deren Verteilung nicht einheitlich. Andererseits kann das Gießformverfahren unter Einsatz von Zentrifugalkraft eine einheitliche Orientierung und Verteilung der Faserkomponenten ergeben.
In der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden daher ein Siliciumpulver, wenigstens ein Sinterungshilfsmittel, das aus der aus Al&sub2;O&sub3;, AlN, ZrO&sub2;, Y&sub2;O&sub3;, MgO, CeO&sub2; und Al&sub2;O&sub3; stehenden Gruppe ausgewählt ist, und Fasern oder Whisker, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus solchen aus SiC, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, C und K&sub2;TiO&sub3; besteht, mit einem Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser, Alkohol, Aceton oder Hexan unter Bildung einer Aufschlämmung gemischt. Die resultierende Aufschlämmung wird dann einem Gießformvorgang unter Einfluß zentrifugaler Kräfte unterworfen, um einen geformten Körper zu erhalten, in dem die Faserkomponenten entlang der Kontur des geformten Körpers orientiert und einheitlich verteilt sind.
Danach wird der resultierende geformte Körper einem Reaktionssintervorgang in Stickstoff bei 1.300 bis 1.450 ºC unter Umwandlung des Siliciums der Matrix in dem geformten Körper in Si&sub3;N&sub4; unterworfen, wie dies oben beschrieben wurde, und weiter in Stickstoff bei 1.700 bis 1.900 ºC unter Erhalt eines faserverstärkten, gesinterten Si&sub3;N&sub4;-Kompaktkörpers gesintert. Das Stickstoffgas steht vorzugsweise unter Druck, um einen Zerfall des Si&sub3;N&sub4; zu verhindern. Eine Heißhydrostatikpresse unter Anwendung von Stickstoffgas unter hohem Druck wird vorzugsweise verwendet.
In einem alternativen Verfahren, das in einer Trennanmeldung zu der vorliegenden Anmeldung mit der Anmeldungsnummer .......... beansprucht wird, ist ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundkörpers gekennzeichnet durch Formen keramischer Fasern zu einem Formkörper mit gewünschter Größe, Imprägnieren des Formkörpers mit einer Aufschlämmung, die ein Keramikpulver oder Siliciumpulver als hauptsächliche Komponente enthält, Trocknen und anschließendes Sintern.
In diesem Verfahren ist mehr bevorzugt, Siliciumcarbid-(SiC-)Whisker als Keramikfasern, einen geformten Körper aus Keramikfasern mit einer Porosität von 95 bis 55 % als Formkörper und ein Pulver aus SiC, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; als Keramikpulver zu verwenden. Noch mehr bevorzugt wird die Imprägnierung mit einer Aufschlämmung durch Zentrifugalgießformen durchgeführt, wie dies oben beschrieben ist, und ein geformter Körper wird mit einer Aufschlämmung imprägniert, die Silicium als hauptsächliche Komponente enthält, getrocknet und danach einem Reaktionssinterschritt in Stickstoffgas unterworfen.
In der vorliegenden Beschreibung ist die oben beschriebene Porosität definiert durch die folgende Formel (1):
Porosität = Faserdichte - Dichte der Vorform/Faserdichte (1)
Zuerst werden Keramikfasern zu einer Vorform mit einer Porosität von 95 bis 55 % geformt, wie dies durch Formel (1) wiedergegeben ist. Dies bedeutet, daß ein Keramikpulver, das imprägniert werden soll, in den Poren der Vorform dispergiert wird. Wenn die Porosität höher als 95 % ist, ist die Vorform zu hart, um eine gewünschte Form einzuhalten. Wenn die Porosität geringer als 55 % ist, ist der Anteil an Pulver zu gering, um eine Verdichtung durch Sintern zu erreichen. Beispielsweise wird die Vorform im allgemeinen mittels eines Preßverfahrens hergestellt.
In diesem Verfahren können beliebige kontinuierliche Fasern und kurze Fasern verwendet werden, und dieselben Materialien können dafür verwendet werden wie in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die resultierende Vorform wird dann mit einem Keramikpulver oder einem Pulver, das beispielsweise vornehmlich Silicium enthält, mittels eines Verfahrens imprägniert, das ein Dispergieren des Pulvers in einem Lösungsmittel, Imprägnieren der Vorform mit der resultierenden Aufschlämmung und abschließendes Verdampfen des Lösungsmittels umfaßt.
Nützliche Beispiele des Keramikpulvers sind SiC, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3; und ZrO&sub2;. Außerdem kann ein Sinterhilfsmittel wie beispielsweise Y&sub2;O&sub3; dem Keramikpulver oder Siliciumpulver zugesetzt werden. Als Lösungsmittel werden beispielsweise Wasser, Alkohole und dergleichen verwendet. Im Falle der Keramikpulver ist Alkohol bevorzugt, um zu verhindern, daß die Pulver oxidieren.
Eine Vorform mit einer Porosität von 95 bis 55 %, d. h. mit einem Fasergehalt von 5 bis 45 Vol.-% wird mit einem Keramikpulver oder Siliciumpulver imprägniert. Dadurch erhält man einen Formkörper mit einem Pulvergehalt von 5 bis 75 Vol.-% und einer Gesamtmenge an Fasern und Pulver von 50 bis 80 Vol.-%.
Die Imprägnierung wird vorzugsweise mittels eines Gießformverfahrens unter Zentrifugieren unter Verwendung von Zentrifugalkraft durchgeführt, wobei die Vorform einheitlich mit einer Aufschlämmung imprägniert wird. Die Entfernung des Lösungsmittels kann so schnell durchgeführt werden.
Das Gießformverfahren unter Zentrifugieren wird beispielsweise mit Hilfe einer Vorrichtung durchgeführt, wie sie in Figur 1 gezeigt ist. In dieser Ausführungsform wird die Gießform 3 jedoch so gebildet, daß sie der Kontur einer Vorform 5 angepaßt ist und aus einem Material hergestellt ist, das in der Lage ist, nur ein Lösungsmittel in einer Aufschlämmung 6, die ein Keramikpulver oder Siliciumpulver enthält, durchtreten zu lassen. Beispiele für dieses Material sind Gips, Filterpapier und dergleichen. Insbesondere Gips oder Filterpapier werden wegen der Leichtigkeit der Herstellung der Gießform und wegen des niedrigeren Preises bevorzugt verwendet. Wie in Figur 1 gezeigt ist, wird die Vorform 5 in die Form 3 eingesetzt, die Aufschlämmung 6 wird in die Vorform 5 gegossen, und die Vorform 5 wird mit dem Pulver imprägniert, während man sie Zentrifugalkräften unterwirft. Während des Gießformens wird vorzugsweise ein verringerter Atmosphärendruck mit guten Ergebnissen angewendet.
Der resultierende Formkörper wird in bekannter Weise getrocknet und danach gesintert. Im Fall der Verwendung von Si&sub3;N&sub4; als Matrix kann insbesondere ein Formkörper, der mit einem Siliciumpulver imprägniert ist, erhalten und in einer Stickstoffatmosphäre unter Bildung von Si&sub3;N&sub4; einem Reaktionssinterschritt unterworfen werden. Wenn ein Keramikpulver in Keramikfasern gesintert wird, ist das Volumen so schwierig zu schrumpfen, daß ein Verdichten schwierig ist. Wenn jedoch ein Siliciumpulver dem Schritt des Reaktionssinterns unterworfen wird, kann ein gesinterter kompakter Körper leicht erhalten werden, ohne daß die Notwendigkeit einer Volumenschrumpfung besteht.
Wie oben veranschaulicht, besteht das kennzeichnende Merkmal des alternativen Verfahrens darin, daß man einen Verbundstoff aus einem keramischen Material und Keramikfasern dadurch erhält, daß man vorher eine Vorform aus den Keramikfasern mit einer Aufschlämmung eines keramischen Pulvers oder Siliciumpulvers imprägniert und dieses unter Entfernung des Lösungsmittels trocknet und sintert.
Das alternative Verfahren führt zur einheitlichen Dispergierung der keramischen Materialien und keramischen Fasern. Dies war bisher als schwierig angesehen worden. Außerdem kann bei Anwendung eines Zentrifugalformgießverfahrens unter Verwendung zentrifugaler Kräfte zur Füllung einer Vorform mit einem keramischen Pulver oder Siliciumpulver ein einheitlich geformter Körper erhalten werden.
Daher wird bei Anwendung sowohl der vorliegenden Erfindung als auch des alternativen Verfahrens ein faserverstärktes Siliciumnitrid-Keramikmaterial bereitgestellt, das in Bezug auf seine Festigkeit und seine Zähigkeit exzellent ist durch die Verwendung eines keramischen Formkörpers, der im wesentlichen aus einer Keramikmatrix und keramischen Fasern besteht und dadurch gekennzeichnet ist, daß die keramischen Fasern orientiert sind. Dieser kompakte keramische Körper ist sehr wirksam als Strukturmaterial bei hoher Temperatur, beispielsweise als Strukturmaterial für Gasturbinen, da er eine höhere Festigkeit bei hoher Temperatur und eine große Zähigkeit aufweist. Dies ist signifikant in Hinblick darauf, daß die keramischen Materialien des Standes der Technik bei hoher Temperatur keine Festigkeit und Zähigkeit aufweisen und daher in der Praxis nicht zur Verwendung kamen.
Außerdem hat zusätzlich zur Bereitstellung des oben beschriebenen faserverstärkten Siliciumnitrid-Kompaktkörpers das Verfahren der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Vorteil, daß es den Einsatz eines Zentrifugengießformverfahrens ermöglicht, wodurch die Herstellungskosten verringert werden und der Kompaktkörper wirtschaftlich bereitgestellt wird.
Die nachfolgenden Beispiele werden angegeben, um die vorliegende Erfindung genauer zu veranschaulichen, ohne diese zu beschränken.

Beispiel 1

15 Gew.-% SiC-Whisker mit einer mittleren Korngröße von 0,3 um und einer Länge von 50 um wurden einem Siliciumpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,5 um zugesetzt und mit Wasser als Lösungsmittel 8 h unter Bildung einer Aufschlämmung gemischt, die Si und SiC enthielt. Die resultierende Aufschlämmung wurde einem Schritt des Zentrifugalgießformens unter Verwendung einer Gipsform und unter Erhalt eines Formkörpers mit einem Außendurchmesser von 30 mm , einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Länge von 60 mm unterworfen. Dieser wurde danach bei 100 ºC 3 Tage getrocknet und außerdem einem Reaktionssinterungsschritt in einem Stickstoffstrom bei 1.350 ºC 8 h lang unterworfen. So erhielt man einen gesinterten kompakten Si&sub3;N&sub4;-Körper mit einer Dichte von 2,90.
Der kompakte Körper hatte eine solche Struktur, daß die SiC-Whisker laminarorientiert waren, eine Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von 60 kg/mm² und eine Biegefestigkeit bei 1.200 ºC von 45 kg/mm², was als ausgezeichnetere Hochtemperaturfestigkeit angesehen wurde. Außerdem zeigte der kompakte Körper einen Charpy-Kerbschlagwert von 0,5 kg/cm². Dieser Wert war wenigstens fünfmal so groß wie der eines Si&sub3;N&sub4;-Kompaktkörpers, der keine Whisker enthält.
Bei Vergleich mit einem gewöhnlichen kompakten Si&sub3;N&sub4;-Körper mit einer Dichte von 3,15, einer Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von 75 kg/mm² und einer Biegefestigkeit bei 1.200 ºC von 35 kg/mm² ist klar verständlich, daß die Verbundkeramikmaterialien, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erhalten werden, ausgezeichneter in Bezug auf ihre Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf die Hochtemperaturfestigkeit, sind.

Beispiel 2

75 Gew.-% Si-Pulver mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,7 um, 5 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;, 5 Gew.-% Y&sub2;O&sub3; und 15 Gew.-% SiC-Whisker mit einem Durchmesser von 0,3 um und einer Länge von 60 um wurden gemischt und in Ethanol unter Bildung einer Aufschlämmung dispergiert. Die resultierende Aufschlämmung wurde danach einem Zentrifugiergießformschritt unter Erhalt eines Formkörpers unterworfen, in dem die Whisker parallel zu der Innenwandung der Gießform orientiert waren und der einen Außendurchmesser von 30 mm, einen Innendurchmesser von 20 mm und eine Länge von 60 mm hatte. Dieser Formkörper wurde dann einem Reaktionssinterungsschritt in einem Stickstoffstrom bei 1.380 ºC unterworfen und danach weiter in Stickstoff bei 1.750 ºC und 5 atm 2 Stunden lang gesintert.
Der so erhaltene kompakte Körper hatte eine relative Dichte von 95 %, eine Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von 70 kg/mm², eine Biegefestigkeit bei 1.200 ºC von 70 kg/mm² und einen Wert KIC (Spannungsintensitätsfaktor) von 9,5 MN/m3/2.

Beispiel 3

Sinterungshilfsmittel und Keramikfasern, wie sie in Tabelle 1 gezeigt sind, wurden mit Si- Pulver gemischt. Danach wurden keramische kompakte Körper in analoger Weise wie in Beispiel 2 hergestellt. Diese kompakten Körper hatten die in Tabelle 1 gezeigten Eigenschaften.
Es ist aus diesen Ergebnissen offensichtlich, daß dann, wenn die Menge an Sinterungshilfsmittel geringer als 0,5 Gew.-% oder höher als 40 Gew.-% ist, die Eigenschaften der kompakten Körper in starkem Maße verschlechtert werden. Eine Menge an Sinterhilfsmittel, die im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 40 Gew.-% liegt, ist für die vorliegende Erfindung optimal. Tabelle 1 Eigenschaften der kompakten Körper Sinterhilfsmittel und dessen Menge (Gew.-%) Keramikfasern Dichte Biegefestigkeit bei Raumtemperatur Biegefestigkeit bei 1.200 ºC Anmerkungen SiC-Whisker SiC-Langfaser Vergleich gemäß der Erfindung

Beispiel 4

15 Gew.-% Si&sub3;N&sub4;-Whisker des β-Typs mit einem mittleren Korndurchmesser von 1,0 um und einer Länge von 30 um wurden einem Siliciumpulver mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,5 um zugesetzt. Die Masse wurde in analoger Weise zu Beispiel 1 geformt und gesintert.
Der so erhaltene kompakte Körper hatte eine Verbundstoffstruktur aus Si&sub3;N&sub4;-Whisker des β-Typs und Si&sub3;N&sub4;-Körnern des β-Typs und eine Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von 65 kg/mm² und eine Biegefestigkeit bei 1.200 ºC von 50 kg/mm². Diese Eigenschaften wurden als exzellent angesehen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines kompakten keramischen Körpers, welches die Herstellung eines geformten Körpers aus Silicium, in dem keramische Fasern einheitlich dispergiert sind, durch Dispergieren von Siliciumpulver und Keramik-Whiskern in einem Lösungsmittel unter Bildung einer Aufschlämmung und Entfernen des Lösungsmittels von der Aufschlämmung durch Einfüllen der Aufschlämmung in eine Form, durch die man nur das Lösungsmittel durchlaufen läßt, und dadurch Bilden des Siliciumkörpers umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel in der Weise entfernt wird, daß man die Aufschlämmung in der Form einer Zentrifugalkraft unterwirft und so den Siliciumkörper bildet, der die keramischen Fasern in einer Richtung parallel zur inneren Oberfläche der Form orientiert enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die keramischen Fasern gewählt sind aus der aus Aluminiumoxid, Siliciumnitrid, Kohlenstoff, Kaliumtitanat, Siliciumcarbid und Zirkonoxid und deren Mischungen bestehenden Gruppe.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Keramikfasern in einem Mengenanteil von 0,1 bis 45 Volumen-% zugegen sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Aufschlämmung außerdem wenigstens eine Verbindung aus der aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkonoxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Ceroxid und Lanthanoxid und deren Mischungen bestehenden Gruppe in einem Mengenverhältnis von 0,5 bis 40 Gew.-% enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt des Aufheizens und Nitridierens bei einer Temperatur von 1.300 bis 1.450 ºC durchgeführt wird.