DE3905531C2

DE3905531C2 - Verfahren zum Herstellen eines imprägnierten keramischen Materials, nach dem Verfahren hergestelltes kohlenstoffhaltiges Material und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE3905531C2
Application number: DE3905531A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Ito; Shuitsu Matsuo; Yasumi Sasaki
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1989-02-23
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2009-02-24
Also published as: DE3905531A1; US4963396A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Imprägnieren eines geformten keramischen Materials mit einer Imprägnierflüssigkeit, ein kohlenstoffhaltiges Material hergestellt nach dem Verfahren, sowie eine Verwendung eines derartigen kohlenstoffhaltigen Materials.

Ein kohlenstoffhaltiges Material ist ein typisches Beispiel für keramische Materialien, die als Konstruktionsmaterial oder als Material für Maschinen verwendet werden. Ein derartiges kohlenstoffhaltiges Material weist zum einen eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine gute elektrische Leitfähigkeit und außerdem eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit auf. Insbesondere nimmt dessen Festigkeit bei hohen Temperaturen nicht ab.

Andererseits sind kohlenstoffhaltige Materialien porös. Demzufolge haben sie keine guten mechanischen Festigkeiten. Sie werden außerdem leicht oxidiert und werden dadurch zerstört. Angesichts dessen wurde angestrebt, ein kohlenstoffhaltiges Material mit hoher Dichte zu erhalten, das für einen anhaltend langen Zeitraum ausgezeichnete Eigenschaften aufweist. Beispielsweise werden dazu kompakte Partikel mit hoher Dichte gepackt.

Bei einer anderen gebräuchlichen Methode, wie sie aus der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 60-90807 bekannt ist, werden die Poren eines kohlenstoffhaltigen Materials mit einer Imprägnierflüssigkeit, wie beispielsweise Teer, imprägniert. Dazu werden beispielsweise ein geformtes kohlenstoffhaltiges Material und eine Imprägnierflüssigkeit in einen Behälter gebracht. Man läßt Druckluft direkt derart auf die Imprägnierflüssigkeit einwirken, daß die Poren des kohlenstoffhaltigen Materials mit der Imprägnierflüssigkeit imprägniert werden, um dadurch eine hohe Dichte des kohlenstoffhaltigen Materials zu erzeugen. Die Imprägnierflüssigkeit wird auf 80°C oder mehr erwärmt. Der Druck der Druckluft beträgt 20 kg/cm² oder weniger. Bei einer derartigen gebräuchlichen Methode ist jedoch die erhaltene Dichte des kohlenstoffhaltigen Materials nicht ausreichend hoch. Die Imprägniereffekte sind nicht gut.

Aus der DE 31 47 040 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Imprägnieren von Graphitelektroden oder anderen Elementen mit heißem Imprägniermedium bekannt, wobei die zu imprägnierenden Elemente kalt in einen Autoklav eingeladen und in dem geschlossenen Autoklav imprägniert werden.

Aus der DE 30 23 638 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Imprägnieren von porösen Gegenständen bekannt, bei denen der Gegenstand in einen Behälter eingebracht wird, in dem ein Vakuum erzeugbar ist. Nach Füllen des Behälters mit dem Imprägniermittel bis der Gegenstand vollständig besteckt ist, wird in dem Behälter der Atmosphärendruck wieder hergestellt und anschließend das überschüssige Imprägniermittel abgezogen.

Aus der DE 27 32 553 C2 ist ein Verfahren zum Imprägnieren von porösen Körpern, insbesondere Kohlenstoff- und Graphitkörpern, sowie eine Imprägnieranlage zum Durchführung des Verfahrens bekannt. Bei diesem Verfahren nach der Vakuumdruckmethode werden die porösen Körper in einen Imprägnierkessel gegeben, dieser wird anschließend evakuiert und dann in diesem aus Imprägniermittel in die Poren der porösen Körper gedrückt.

Aus der DE 30 34 359 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- und Graphitmaterialien hoher Dichte und hoher Festigkeit bekannt. Ein feinpulverisierter frischer Koks wird allein oder in Kombination mit einem Bindemittelpech unter Druck geformt, in einer ersten Backstufe gebacken und das gebackene Material anschließend mit einem Pech unter Druck imprägniert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein keramisches Material, wie beispielsweise ein kohlenstoffhaltiges Material mit ausreichend hoher Dichte zu schaffen, und es ist außerdem Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen desselben zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird ein Imprägnierdruck über eine Drucküber tragungsflüssigkeit auf eine Imprägnierflüssigkeit ausgeübt, um die Poren eines keramischen Materials mit der Imprägnier flüssigkeit zu imprägnieren, wobei zwischen Imprägnierflüssigkeit und Druckübertragungsflüssigkeit eine elastische Trennvorrichtung gebracht ist.

Beispiele für Druckübertragungsflüssigkeiten sind Wasser, Ethylenglykol, Öl und Alkohol.

Das beste Beispiel für ein geformtes keramisches Material ist ein geformtes kohlenstoffhaltiges Material, wobei die Erfindung jedoch nicht auf solche Materialien beschränkt ist. Bevorzugte Beispiele für Produkte, die aus keramischem Material hergestellt sind, sind Graphittiegel zur Verwendung in einem Aluminium niederschlagsverfahren oder in einem CZ (Czochralski)-Verfahren, Heizöfen, Aufnehmerbasismaterial, Schiffchen zum Flüssigphasen aufwachsen und Plasma-CVD (chemical vapor deposition)-Elek troden.

Beispiele für Imprägnierflüssigkeiten sind bei Wärme aushärtbare Harze wie Furfurylalkohol, Kunstharze und Teerpech.

Der Imprägnierdruck beträgt vorzugsweise 20 kg/cm² oder mehr und für beste Ergebnisse 50 kg/cm² oder mehr.

Zum Imprägnieren des geformten keramischen Materials mit der Imprägnierflüssigkeit wird zwischen die Imprägnierflüssigkeit und die Druckübertragungsflüssigkeit ein elastisches Material, wie beispielsweise Gummimaterial, gebracht. Wenngleich das Verfahren auch bei Raumtemperatur ausgeführt werden kann, so wird vorzugsweise ein kohlenstoffhaltiges Material mit Teerpech bei einer Temperatur von 100°C bis 280°C imprägniert.

Vorzugsweise weist die Imprägnierflüssigkeit eine Viskosität von 300 cP (Centipoise) bei 20°C auf.

Erfindungsgemäß weist ein kohlenstoffhaltiges Material eine Rohdichte von 1,5 bis 2,0 g/cm³, einen spezifischen Widerstand von 500 bis 1900 Microohm×cm, eine Biegefestigkeit von 300 kg/cm² oder mehr, eine scheinbare oder offene Porosität von 0,1 bis 7,0% und eine reine relative Dichte von 2,10 oder weniger auf.

Wird ein Tiegel aus kohlenstoffhaltigem Material hergestellt, dessen Rohdichte zwischen 1,5 g/cm³ und 2,0 g/cm³ liegt, so ist dessen Oberfläche nicht rauh und es kann verhindert werden, daß das Material zu sehr graphitisiert. Es kann jedoch eine ausreichende Bindekraft unter den einzelnen Kohlenstoffpartikeln erhalten werden, da die Biegefestigkeit 300 kg/cm² oder mehr beträgt. Da das kohlenstoffhaltige Material einen spezifischen Widerstand von 500 bis 1900 Microohm×cm aufweist, kann ver hindert werden, daß die Kohlenstoffpartikel zu sehr kristalli sieren, so daß dieses extrem flexibel bleibt. Außerdem wird der Heizwert nicht zu groß, so daß eine Temperatursteuerung vereinfacht ist. Ferner kann dadurch, daß das kohlenstoffhaltige Material eine offene Porosität von 0,1 bis 7,0% aufweist, verhindert werden, daß die Poren zwischen den Kohlenstoff partikeln zu groß werden, wodurch die Bindekraft abgeschwächt wäre. So kann beispielsweise ein Tiegel, der aus einem derar tigen kohlenstoffhaltigen Material hergestellt ist, davor bewahrt werden, daß er auseinanderbricht. Außerdem kann ver hindert werden, daß Kohlenstoffpartikel abfallen, falls Sili ziumwafer für eine Halbleitervorrichtung in einer Plasma CVD- Vorrichtung hergestellt werden. Beträgt die reine relative Dichte mehr als 2,10, so sind die Kohlenstoffpartikel in der Lage, zu sehr zu kristallisieren, wodurch ein kohlenstoff haltiges Material nicht in geeigneter Weise elastisch wäre. In einem solchen Fall nimmt die Lebensdauer ab.

Erfindungsgemäß weist ein kohlenstoffhaltiges oder ein Kohlen stoffmaterial eine Rohdichte von 1,5 bis 2,0 cm/cm³, eine offene Porosität von 0,1 bis 7,0% und eine Luftdurchlässigkeit zwischen 0 und 1,0×10^-4 ml×cm/cm²×sec×cm auf.

In einem kohlenstoffhaltigen Material sind im wesentlichen keine offenen Poren vorhanden, so daß Luft nicht hindurchtreten kann. Demzufolge ist die Temperaturwechselbeständigkeit hervor ragend.

Beträgt die Luftdurchlässigkeit weniger als 1,0×10^-4 ml×cm/cm²×sec×cm kann in den Poren des kohlenstoffhaltigen Materials eine geringe Dichte an feinem Kohlenstoff ausgebildet werden. Als Ergebnis ist es möglich, falls Siliziumkristalle gezogen werden, das Gasvolumen, das von einem graphitisierten Tiegel erzeugt wird, zu erniedrigen. Andererseits wirkt eine offene Porosität von 0,1 bis 7,0% dahingehend, eine Spaltbil dung beim Tiegel zu verhindern.

Vorzugsweise wird, bevor der Imprägnierdruck auf die Imprägnier flüssigkeit ausgeübt wird, auf das geformte Material ein negativer Druck ausgeübt, so daß jegliches Gas, das im geformten Material verblieben ist, von diesem entfernt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Schnitt einer isostatischen Kaltpreßvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Rohdichte und dem Imprägnierdruck bei einem kohlen stoffhaltigen Material darstellt;

Fig. 3 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Rohdichte und der Anzahl an Imprägnierungen im Falle eines kohlenstoffhaltigen Materials zeigt, und

Fig. 4 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Rohdichte und der Größe der Viskosität der Impräg nierflüssigkeit darstellt.

In Fig. 1 ist eine Imprägniervorrichtung vom Typ einer iso statischen Gummikaltpresse dargestellt.

In einem druckdichten Behälter 1 ist eine Druckübertragungs flüssigkeit in Form von Wasser 2 aufgenommen. Als Imprägnier flüssigkeit ist Furfurylalkohol 4 vorgesehen, der in einem Gummibehälter 3 aufgenommen ist. Im Gummibehälter 3 ist ferner ein geformtes kohlenstoffhaltiges Material 5 aufgenommen. Der Gummibehälter 3 ist derart ausgestaltet, daß er im Betrieb vollständig geschlossen ist und wobei dieser, wenngleich nicht dargestellt, geöffnet werden kann, falls dies gewünscht wird. Der druckdichte Behälter 1 ist durch einen Verschluß 6 ver schlossen, wobei der Gummibehälter 3 in das Wasser 2 eingetaucht ist. Der Gummibehälter 3 dient als eine Trennvorrichtung.

Im Betrieb wird der Innenraum des Gummibehälters 3 mittels einer hier nicht dargestellten Vakuumpumpe zunächst für 10 Minuten bei einem reduzierten Druck von 3,9 kN/m² (30 Torr) gehalten. Anschließend wird Furfurylalkohol 4 mittels einer hier nicht dargestellten Zuführung in den Gummibehälter 3 gegossen. Anschließend wird das Wasser 2 für etwa eine Minute derart unter Druck gesetzt, daß ein Imprägnierdruck von 300 kg/cm² oder mehr auf den Furfurylalkohol ausgeübt wird, wodurch das geformte kunsthaltige Material 5 mit dem Furfurylalkohol imprägniert wird. Das imprägnierte kohlenstoffhaltige Material wird zunächst mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 10°C/Stunde auf 200°C erwärmt, und anschließend wird es mit einer Aufheiz geschwindigkeit von 8°C/Stunde auf 950°C erwärmt. Schließlich wird es einer Reinigungsbehandlung bei 2300°C ausgesetzt.

Beispiele:

In Tabelle 1 sind Beispiele 1 bis 4 dargestellt, wobei dies vier geformte kohlenstoffhaltige Materialien sind, die mit Furfurylalkohol imprägniert werden sollen. Die kohlenstoff haltigen Materialien der Beispiele 1 und 4, deren Eigenschaften in Tabelle 1 dargestellt sind, werden mittels der in Fig. 1 dargestellten Imprägniervorrichtung imprägniert, wonach sie die Eigenschaften aufweisen, wie sie in Tabelle 2 aufgeführt sind.

Zu Vergleichszwecken werden die geformten kohlenstoffhaltigen Materialien der Beispiele 2 und 3 von Tabelle 1 mit Furfuryl alkohol bei fünf verschiedenen Imprägnierdrucken von 1, 50, 500, 1000 und 1500 kg/cm² imprägniert. Der Zusammenhang zwischen Rohdichte und Imprägnierdruck ist in Fig. 2 dargestellt. Beträgt der Imprägnierdruck 1 kg/cm², so werden zahlreiche innere Poren des kohlenstoffhaltigen Materials nicht mit dem Furfuryl alkohol imprägniert, so daß die Rohdichte nicht ausreichend erhöht werden konnte. Beträgt der Imprägnierdruck 50 kg/cm² oder mehr, so wird die Rohdichte bemerkenswert erhöht.

In Fig. 3 ist der Zusammenhang zwischen der Anzahl an Impräg nierungen und der Rohdichte dargestellt. Der Imprägnierdruck beträgt jeweils 1500 kg/cm².

Wie aus Fig. 3 zu entnehmen, nimmt die Rohdichte bei einer gebräuchlichen Niederdruck-Teer-Imprägniermethode, im Falle einer einzigen Imprägnierung, nur um einige Prozentteile zu, und diese nimmt sogar auch dann nicht bemerkenswert zu, falls ein Imprägnier/Heiz-Zyklus wiederholt wird. Entsprechend der Hochdruck-Imprägnierungsmethode der vorliegenden Erfindung wird die Imprägniereffizienz verbessert. Im Falle von zwei Imprägnierungen erhöht sich die Rohdichte zunächst auf 1,91 g/cm³ und dann im zweiten Schritt auf 1,96 g/cm³.

In Tabelle 3 sind die Versuchsergebnisse von sechs Vergleichs beispielen von Graphittiegeln dargestellt, die in Vergleich zu einem Tiegel stehen, der aus einem kohlenstoffhaltigen Material entsprechend der Erfindung hergestellt ist. Die Vergleichsbeispiele befinden sich zumindest mit einem Parameter außerhalb der Erfindung und zwar bezüglich der Parameter Rohdichte, spezifischer Widerstand, Biegefestigkeit, offene Porosität, reine relative Dichte und Luftdurchlässigkeit. Die Anzahl der möglichen Gebrauchsanwendungen der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele und der Vergleichsbeispiele unterscheiden sich beträchtlich. Anzahl an Gebrauchsanwendungen der Tiegel bedeutet die Zahl an Gebrauchsanwendungen, bis die Tiegel zerbrechen.

Bei diesen Anwendungen werden 35 kg reines Silizium in den zuvor erwähnten Tiegeln geschmolzen, und es wird anschließend ein Siliziumkristall mit einem Durchmesser von 12,7 cm (5 inch) und einer Kristallorientierung von (100) nach und nach mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/Min gezogen. Das Volumen der erzeugten oder abgegebenen Gasmenge zwischen Raumtemperatur bis 950°C wurde gemessen.

In Fig. 4 ist der Zusammenhang zwischen der Viskosität der Imprägnierflüssigkeit und der Rohdichte dargestellt. Der Imprägnierdruck beträgt 1500 kg/cm². Die geformten kohlenstoff haltigen Materialien der Beispiele 2 und 3 in Tabelle 1 wurden mit polymerisiertem Furfurylalkohol mit sechs verschiedenen Viskositäten bei 20°C, nämlich 30, 200, 250, 300, 350 und 700 cP imprägniert.

Wie aus Fig. 4 zu entnehmen, verdampft ein großer Volumenanteil des polymerisierten Furfurylalkohols im Falle einer niedrigen Viskosität, wie beispielsweise 30 cP bei 20°C, bevor dieser fest wird. Es kann keine Zunahme der Rohdichte erwartet werden.

Dies wird durch die in Tabelle 4 aufgeführten Daten gestützt. Die Rohdichte verändert sich zwischen 300 cP und 700 cP bei 20°C nicht bemerkenswert. Demzufolge beträgt die Viskosität der Imprägnierflüssigkeit vorzugsweise zumindest 300 cP bei 20°C.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Claims

1. Verfahren zum Imprägnieren eines geformten keramischen Materials mit einer Imprägnierflüssigkeit, mit den Schritten:

- Einbringen des geformten keramischen Materials in die Imprägnierflüssigkeit, und
- Ausüben eines Imprägnierdruckes auf die Imprägnierflüssigkeit durch eine Druckübertragungsflüssigkeit, damit das geformte keramische Material mit der Imprägnierflüssigkeit imprägniert wird.
- wobei zwischen die Imprägnierflüssigkeit und die Druckübertragungsflüssigkeit eine elastische Trennvorrichtung derart gebracht wird, daß der Imprägnierdruck über die Druckübertragungsflüssigkeit und die elastische Trennvorrichtung auf die Imprägnierflüssigkeit übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, bevor der Imprägnierdruck auf die Imprägnierflüssigkeit ausgeübt wird, auf das geformte Material ein negativer Druck ausgeübt wird, damit jegliches Gas, das im geformten Material enthalten ist, von diesem entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Imprägnierflüssigkeit Teerpech oder ein bei Wärme aushärtendes Harz eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Imprägnierdruck 20 kg/cm² oder mehr eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Imprägnierdruck 50 kg/cm² oder mehr eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckübertragungsflüssigkeit Wasser, Ethylenglykol, Öl oder Alkohol eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Gummi hergestellte elastische Trennvorrichtung eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Trennvorrichtung ein Gummibehälter eingesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das geformte keramische Material bei einer Temperatur von 100°C bis 280°C imprägniert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Imprägnierflüssigkeit eingesetzt wird, die eine Viskosität von 300 cP (Centipoise) oder mehr bei 20°C aufweist.

11. Kohlenstoffhaltiges Material, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Rohdichte von 1,5 bis 2,0 g/cm³, einem spezifischen Widerstand von 500 bis 1900 Microohm · cm, eine Biegefestigkeit von 300 kg/cm² oder mehr, eine offene Porosität von 0,1 bis 7,0% und eine reine relative Dichte von 2,10 oder weniger aufweist.

12. Kohlenstoffhaltiges Material, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Rohdichte von 1,5 bis 2,0 g/cm³, eine offene Porosität von 0,1 bis 7,0% und eine Luftdurchlässigkeit zwischen 0 und 1,0×10^-4 ml · cm/cm² · sec · cm aufweist.

13. Verwendung des kohlenstoffhaltigen Materials nach Anspruch 11 oder 12 zur Herstellung eines Tiegels.