DE4303106A1 - Process for preparing finely divided chloride-free silicon carbonitride powders - Google Patents
Process for preparing finely divided chloride-free silicon carbonitride powdersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der anorganischen Chemie und der Keramik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von feinteiligen chloridfreien Siliciumcarbonitridpulvern, die z. B. zu nanostrukturierten keramischen Si3N4/SiC-Materialien verarbeitet werden.The invention relates to the fields of inorganic chemistry and ceramics and relates to a process for the production of finely divided chloride-free silicon carbonitride powders which, for. B. processed to nanostructured ceramic Si 3 N 4 / SiC materials.
Nanoskalige Siliciumcarbonitridpulver sind eine Voraussetzung für die Herstellung von nanostrukturierten Si3N4-SiC- Kompositwerk stoffen. Letztere zeichnen sich vor allem im Hochtemperaturbe reich aus. So werden Biegefestigkeiten bei 1200°C von mehr als 1000 MPa gemessen (K. Niihara u. a. J. Nater. Sci. Lett. 10, (1990), 112). Für diese Kompositwerkstoffe ist es erforder lich, reproduzierbar die entsprechenden Siliciumcarbonitridpulver herzustellen, wobei die nitridischen und die carbidischen Be standteile homogen vermischt vorliegen müssen.Nanoscale silicon carbonitride powders are a prerequisite for the production of nanostructured Si 3 N 4 -SiC composite materials. The latter are particularly notable for high-temperature areas. For example, bending strengths of 1200 ° C. of more than 1000 MPa are measured (K. Niihara et al. J. Nater. Sci. Lett. 10, (1990), 112). For these composite materials, it is necessary to reproducibly produce the corresponding silicon carbonitride powder, the nitridic and carbidic constituents having to be homogeneously mixed.
Ein einfaches Mischen von herkömmlichen Si3N4- und SiC-Pulvern bei gleichzeitigem weiteren Aufmahlen bietet nicht die Gewähr, daß Si3N4- und SiC-Partikel homogen und gleichmäßig verteilt sind. Bei diesem Verfahren werden stets Agglomerate und Anhäu fungen von Si3N4- bzw. von SiC-Teilchen bestehen bleiben. Das Verfahren der Plasmasynthese von feinteiligen SiC-Si3N4- Pulvergemischen erlaubt zwar, ausgehend von metallischen Silicium durch Umsetzung mit Kohlenwasserstoffen im Stickstoffplasma sehr feinteilige und auch weitgehend homogene Pulvergemische her zustellen. Diese Pulver sind jedoch stets noch mit einem Anteil von 1-5% an metallischem Silicium verunreinigt, das beim Hoch temperatureinsatz der entsprechenden Keramiken deren Festigkeiten deutlich herabsetzt.A simple mixing of conventional Si 3 N 4 and SiC powders with simultaneous further grinding does not guarantee that Si 3 N 4 and SiC particles are homogeneously and evenly distributed. In this process, agglomerates and accumulations of Si 3 N 4 or SiC particles will always remain. The process of plasma synthesis of finely divided SiC-Si 3 N 4 powder mixtures allows starting from metallic silicon by reaction with hydrocarbons in nitrogen plasma to produce very finely divided and largely homogeneous powder mixtures. However, these powders are still contaminated with a proportion of 1-5% of metallic silicon, which significantly reduces their strength when the corresponding ceramics are used at high temperatures.
Eine Si3N4-SiC-Kompositpulversynthese über den Weg der Pyrolyse eines Gemisches von Monosilan-Methylamin-Ammoniak mittels Laser (N. Cautier, O. Croix u. a. J. Europ. Ceram. Soc. 8, 215 (1991)) erbringt Si-N-C-Pulver im Nanobereich, ist aber nur für die Synthese kleinerer Mengen Pulver geeignet und geht darüberhinaus von selbstentzündlichem und schwierig handhabbarem SiH4 aus.Si 3 N 4 -SiC composite powder synthesis by pyrolysis of a mixture of monosilane-methylamine-ammonia by means of laser (N. Cautier, O. Croix and others J. Europ. Ceram. Soc. 8, 215 (1991)) provides Si -NC powder in the nano range, but is only suitable for the synthesis of small amounts of powder and is also based on self-igniting and difficult to handle SiH 4 .
Die Pyrolyse eines definierten verdampfbaren Silans, z. B. von Tris(dimethylamino)silan (W.N. Shen, C.F. Chang, Advances in Ceramics, Vol. 21- Ceramic Powder Science 1987, S. 193) führt zu Siliciumcarbonitridpulvern, die zwischen 10 und 40% freien Koh lenstoff enthalten. Dieser muß durch Folgereaktionen, z. B. durch Umsetzung mit Wasserstoff oder mit Sauerstoff verringert werden. Der Gehalt an freiem Kohlenstoff wirkt sich ungünstig auf das Verdichtungsverhalten von Si-N-C-Pulvern aus, da während des Sinterprozesses aus dem freien Kohlenstoff und den zugesetzten Additiven Kohlenstoffoxide, vor allem CO entstehen, die zur Porigkeit der Keramik führen und damit deren Hochtemperaturver halten verschlechtern. Bei der oxidativen Erniedrigung des freien Kohlenstoffgehaltes besteht dabei stets die Gefahr des chemischen Einbaus von Sauerstoff in das Si-N-C-Gerüst und damit der deutli chen Erhöhung des Sauerstoffgehaltes der Pulver. Ein hoher Sauer stoffgehalt verschlechtert ebenfalls die Hochtemperatureigen schaften der aus den Pulvern hergestellten Keramiken durch Bil dung eines erhöhten Anteils an schmelzflüssiger Bindephase.The pyrolysis of a defined vaporizable silane, e.g. B. from Tris (dimethylamino) silane (W.N. Shen, C.F. Chang, Advances in Ceramics, Vol. 21- Ceramic Powder Science 1987, p. 193) leads to Silicon carbonitride powders containing between 10 and 40% free Koh len len contain. This must be followed by subsequent reactions, e.g. B. by Reaction with hydrogen or be reduced with oxygen. The free carbon content adversely affects that Compression behavior of Si-N-C powders, because during the Sintering process from the free carbon and the added Additives carbon oxides, especially CO, which are used to Porosity of the ceramic and thus its high temperature ver keep deteriorating. In the oxidative lowering of the free There is always a risk of chemical content in the carbon content Incorporation of oxygen in the Si-N-C framework and thus the clear Chen increase in the oxygen content of the powder. A high piss Substance content also worsens the high-temperature properties of the ceramics made from the powders by bil formation of an increased proportion of molten binding phase.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von feinteiligen chloridfreien Siliciumcarbonitridpulvern anzuge ben, die zur Herstellung von Si3N4-SiC-Kompositwerkstoffen mit verbesserten Hochtemperatureigenschaften verwendet werden.The object of the invention is to provide a process for the production of finely divided chloride-free silicon carbonitride powders which are used for the production of Si 3 N 4 -SiC composite materials with improved high-temperature properties.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das im Anspruch angegebene Verfahren gelöst.The object of the invention is achieved by what is stated in the claim Procedure solved.
Aus Dialkyldichlorsilan und/oder Alkylmonochlorsilan wird durch Umsetzung mit Stickstoffträgern der Zusammensetzung NR1R2R3 mit R1R2R3 = H, Methyl, Ethyl, ein Polysilazangemisch hergestellt. Dieses Gemisch muß noch von dem ebenfalls mit entstandenen Ammo niumchlorid und/oder Alkylammoniumchlorid und dem bei der Umset zung vorhandenen Lösungsmittel getrennt werden. A polysilazane mixture is prepared from dialkyldichlorosilane and / or alkylmonochlorosilane by reaction with nitrogen carriers of the composition NR 1 R 2 R 3 with R 1 R 2 R 3 = H, methyl, ethyl. This mixture still has to be separated from the ammonium chloride and / or alkylammonium chloride also formed and the solvent present during the reaction.
Das so hergestellte, erfindungsgemäß eingesetzte Gemisch besteht aus verdampfbaren Polysilazanen und weist ein C-Si-Verhältnis von 1,5 bis 4 auf. Durch das Herstellungsverfahren und das so er reichte C-Si-Verhältnis und das Auswahlkriterium verdampfbar werden aus der Menge der bekannten Silazane solche ausgewählt, die ringförmig sind und einen Vernetzungsgrad von 4 bis 8 Sila zan-(Si-NH-)Einheiten oder die kettenförmig sind und einen Ver netzungsgrad von 10 bis 20 Silazan-Einheiten aufweisen. Das Polysilazangemisch kann ohne destillative Auftrennung einge setzt werden.The mixture thus produced and used according to the invention consists from vaporizable polysilazanes and has a C-Si ratio of 1.5 to 4. Through the manufacturing process and so he Ranged C-Si ratio and the selection criterion evaporable are selected from the set of known silazanes, which are ring-shaped and have a degree of crosslinking of 4 to 8 sila zan- (Si-NH) units or which are chain-like and have a ver Have degree of wetting of 10 to 20 silazane units. The polysilazane mixture can be added without separation by distillation be set.
Die Polysilazanmischung beginnt bei etwa 90°C unter Schutzgas oder unter einem reaktiven Gas aus N2 oder Ar oder He und H2 und/oder NH3 zu verdampfen, wobei zuerst die niedrigsiedenden kurzkettigen Oligosilazane flüchtig werden. Mit steigender Tempe ratur im Verdampfungsaggregat verdampfen sukzessive die höhersie denden Anteile der Polysilazanmischung. Die verdampften Silazane werden von einem definiert eingestellten reaktiven Gasstrom aus N2 oder Ar oder He und H2 und/oder NH3 in die Pyrolysezone getra gen. Bei ca. 300°C ist die Verdampfung der Polysilazanmischung abgeschlossen. Diese Temperatur liegt deutlich unter der Sublima tionstemperartur von Ammoniumchlorid und/oder Alkylammoniumchlo rid, die in einem geringen Anteil in der Polysilazanmischung ent halten sein können. The polysilazane mixture begins to evaporate at about 90 ° C. under a protective gas or under a reactive gas of N 2 or Ar or He and H 2 and / or NH 3 , the low-boiling short-chain oligosilazanes becoming volatile first. As the temperature in the evaporation unit rises, the higher parts of the polysilazane mixture evaporate gradually. The vaporized silazanes are carried into the pyrolysis zone by a defined reactive gas stream of N 2 or Ar or He and H 2 and / or NH 3. The evaporation of the polysilazane mixture is complete at approx. 300 ° C. This temperature is well below the sublimation temperature of ammonium chloride and / or alkylammonium chloride, which may be contained in a small proportion in the polysilazane mixture.
Vorteilhaft ist es, die Temperaturführung der Verdampfungstempe ratur der jeweiligen Polysilazanmischung anzupassen, da eine erhöhte Temperatur auch zu einer Erhöhung des Polymerisationsgra des führen kann. Dabei kann es zur Bildung hochvernetzter, nicht mehr verdampfbarer Polysilazane kommen, wodurch die Ausbeute an Si-N-C-Pulver sinkt. Bei der Pyrolyse von Polysilazanen findet ab etwa 600°C eine Abspaltung kurzkettiger Moleküle, wie Methan und Wasserstoff und zu geringen Mengen auch Ammoniak und Silan, statt und damit erfolgt eine Vernetzung der Si-N-C-Strukturen zu einem amorphen dreidimensionalen Netzwerk. Findet die Pyrolyse im Inertgas statt, bildet sich neben Silici umcarbonitridpulver auch freier Kohlenstoff. Dieser kann jedoch mengenmäßig sehr niedrig gehalten oder vollständig vermieden werden, wenn die Verdampfung und die Pyrolyse in einem definier ten und reaktiven Stickstoff-Wasserstoff-Strom erfolgen, wobei letzterer bevorzugt durch die in-situ-Zerlegung eines Ammoniak stromes eingestellt wird.It is advantageous to control the temperature of the evaporation temperature Adapt the temperature of the respective polysilazane mixture, since a increased temperature also increases the degree of polymerization that can lead. It may not form highly interconnected more vaporizable polysilazanes come in, increasing the yield Si-N-C powder drops. In the pyrolysis of polysilazanes, one occurs from about 600 ° C Elimination of short-chain molecules such as methane and hydrogen and too small amounts also ammonia and silane, instead of and with it the Si-N-C structures are cross-linked to form an amorphous one three-dimensional network. If the pyrolysis takes place in the inert gas, it forms alongside silici umcarbonitridpulver also free carbon. However, this can kept very low in quantity or avoided entirely if evaporation and pyrolysis are defined in one th and reactive nitrogen-hydrogen flow take place, wherein the latter preferred by the in-situ decomposition of ammonia current is set.
Die Pyrolyse der dampfförmigen Polysilazane erfolgt in einem weiteren Abschnitt der Verdampfungsapparatur oder getrennt davon in einer weiteren Apparatur, die vorzugsweise ein Rohr sein kann. Über eine bestimmte Länge in dieser Apparatur muß eine Temperatur von 600 bis 1400°C erreicht werden können. Die Länge dieser Heizzone ergibt sich aus der Verweilzeit des Polysilazandampf enthaltenden Gasstroms in dieser Zone, der Pyrolysezone, von mindestens 1 s. Bis 1100°C sind diese Apparaturen aus Kiesel glas, bei Temperaturen bis 1400°C aus Korund. Es ist erforder lich, vor dem Eintreten des Polysilazandampfes in die Pyrolyseap paratur oder die Pyrolyezone der Verdampfungsapparatur diese auf die Pyrolysetemperatur aufzuheizen, da andernfalls das bei der thermischen Zersetzung gebildete Si-N-C-Pulver an den kälteren Enden der Apparatur mit kondensiertem Polysilazan vermischt wird und dadurch eine pastöse Konsistenz annehmen kann. Das feinteili ge Si-N-C-Pulver scheidet sich zum Teil in der Pyrolysezone, zum Teil an dem nicht mehr beheizten Ende der Apparatur ab und in Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit wird es zu einem weiteren Teil aus der Apparatur ausgetragen. Durch Zyklone oder Filterker zen kann dieser Teil des Pulvers zurückgehalten und gesammelt werden. Nach der Pyrolyse werden Reaktionsapparatur und Pulver in trockenem Stickstoffstrom auf Raumtemperatur abgekühlt und danach das Pulver im Stickstoffstrom aus der Apparatur entfernt.The pyrolysis of the vaporous polysilazanes takes place in one another section of the evaporator or separately in another apparatus, which can preferably be a tube. A temperature must exist over a certain length in this apparatus from 600 to 1400 ° C can be achieved. The length of this Heating zone results from the residence time of the polysilazane vapor containing gas stream in this zone, the pyrolysis zone, of at least 1 s. Up to 1100 ° C these devices are made of pebbles glass, at temperatures up to 1400 ° C made of corundum. It is required Lich, before the entry of the polysilazane vapor into the pyrolyseap paratur or the pyrolyzones of the evaporator to heat up the pyrolysis temperature, otherwise the Thermal decomposition formed Si-N-C powder on the colder Ends of the apparatus is mixed with condensed polysilazane and can assume a pasty consistency. The fine part Si-N-C powder differs in part in the pyrolysis zone Part of the no longer heated end of the apparatus from time to time Depending on the gas velocity, it becomes another Part removed from the apparatus. By cyclones or filter cores This part of the powder can be retained and collected become. After pyrolysis, the reaction apparatus and powder are mixed in dry nitrogen stream cooled to room temperature and then the powder is removed from the apparatus in a stream of nitrogen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen in der Bildung eines sehr feinteiligen und homogenen Siliciumcarboni tridpulvers, in dem keine Anhäufungen von nitridischen oder carbidischen Anteilen auftreten, in der Verwendung eines ökono misch günstig herstellbaren und destillativ nicht aufgetrennten Polysilazangemisches als Ausgangsprodukt und in der vollständigen Vermeidung des Einbaus von Chloratomen in das Pulver.The advantages of the method according to the invention are: Formation of a very finely divided and homogeneous silicon carboni trid powder in which no accumulations of nitridic or carbide proportions occur in the use of an economo can be mixed cheaply and not separated by distillation Polysilazane mixture as a starting product and in the complete Avoiding the incorporation of chlorine atoms in the powder.
Im weiteren ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.Furthermore, the invention is closer to an embodiment explained.
15 g einer Polysilazanmischung, die durch Umsetzung von Dichlor dimethylsilan mit trockenem Ammoniak in Dichlormethan, nachfol gender Abfiltration des bei dieser Reaktion gebildeten Ammonium chlorids, Waschen des Ammoniumchloridfilterkuchens mit frischem Dichlormethan zur Entfernung noch anhaftenden Polysilazans und Abdestillation des Lösungsmittels als wachsartiges, ab 45°C schmelzendes und ab 90°C verdampfendes Stoffgemisch erhalten wurde, werden in einem Schiffchen aus Kieselglas, das sich in einem Verdampfungsrohr befindet, durch langsames Erwärmen auf eine Temperatur von 300°C verdampft. Der Dampf der Polysilazan mischung wird mittels eines Ammoniak-Stickstoff-Stromes im Ver hältnis 1 : 1 mit jeweils 10 l/h innerhalb von 2 Stunden in einem vor Verdampfungsbeginn auf 800°C erhitzten Pyrolyserohr aus Kieselglas geleitet und in diesem Rohr zu Si-N-C-Pulver pyroli siert. Die Abscheidung des Pulvers erfolgt an den Wänden des Pyrolyserohres, in einem dem Rohr nachgeschalteten Glaskolben und in einer am Ausgang dieses Kolbens befindlichen Filterkerze. Nach der Pyrolysereaktion wird das Pulver im trockenen Stickstoffstrom auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurden 7,2 g Si-N-C-Pulver erhalten, was einer Ausbeute von 48% bezogen auf das eingesetzte Polysilazangemisch entspricht. 15 g of a polysilazane mixture obtained by reacting dichlor dimethylsilane with dry ammonia in dichloromethane, successor gender filtration of the ammonium formed in this reaction chloride, washing the ammonium chloride filter cake with fresh Dichloromethane for the removal of polysilazane and Distillation of the solvent as a waxy, from 45 ° C. obtained melting and evaporating from 90 ° C mixture of substances was in a pebble glass boat, which is in an evaporation tube by slowly warming it up a temperature of 300 ° C evaporates. The steam of polysilazane mix is by means of an ammonia-nitrogen stream in Ver Ratio 1: 1 with 10 l / h each within 2 hours in one pyrolysis tube heated to 800 ° C before evaporation begins Passed silica glass and in this tube to Si-N-C powder pyroli siert. The powder is deposited on the walls of the Pyrolysis tube, in a glass flask connected downstream of the tube and in a filter candle located at the outlet of this piston. To The pyrolysis reaction turns the powder into a dry nitrogen stream cooled to room temperature. 7.2 g of Si-N-C powder were obtained get what a yield of 48% based on the used Polysilazan mixture corresponds.
Das feinteilige Siliciumcarbonitridpulver hat eine Zusammenset zung von 62,4% Silicium, 26,8% Stickstoff, 8,4% Kohlenstoff und 2,3% Sauerstoff und weist damit ein Stickstoff-Kohlenstoff- Verhältnis von etwa 3 : 1 auf. Das schwarze Pulver hat eine Schütt dichte von 0,1 g/cm3, eine Oberfläche von 18 m2/g und eine Pri märteilchengröße zwischen 100 und 500 nm. Aus diesem Pulver hergestellte Kompositkeramiken haben eine Biegebruchfestigkeit bei 1200°C von 1000 MPa.The fine-particle silicon carbonitride powder has a composition of 62.4% silicon, 26.8% nitrogen, 8.4% carbon and 2.3% oxygen and thus has a nitrogen-carbon ratio of about 3: 1. The black powder has a bulk density of 0.1 g / cm 3 , a surface area of 18 m 2 / g and a primary particle size between 100 and 500 nm. Composite ceramics made from this powder have a bending strength at 1200 ° C of 1000 MPa.
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