DE69017868T2 - Herstellung von Fasern aus Siliziumkarbid von Polyorganosiloxanen. - Google Patents

Herstellung von Fasern aus Siliziumkarbid von Polyorganosiloxanen.

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DE69017868T2 DE1990617868 DE69017868T DE69017868T2 DE 69017868 T2 DE69017868 T2 DE 69017868T2 DE 1990617868 DE1990617868 DE 1990617868 DE 69017868 T DE69017868 T DE 69017868T DE 69017868 T2 DE69017868 T2 DE 69017868T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft die Herstellung von im wesentlichen polykristallinen keramischen Fasern aus präkeramischen polymeren Vorläufern und, genauer, die Einarbeitung von Bor in Fasern, die aus Polyorganosiloxanharzen gebildet wurden, zur Herstellung von bei hohen Temperaturen stabilen Siliciumcarbidfasern.
  • In den letzten Jahren wurden keramische Materialien entwickelt für Verwendungen, bei denen eine gute mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen erforderlich ist. Siliciumcarbid ist ein solches keramisches Material, das wünschenswerte Hochtemperatureigenschaften besitzt. Zum Beispiel wurden Fasern aus Siliciumcarbid verwendet als verstärkendes Material in Verbundmaterialien, zum Beispiel faserverstärkten Metallen und faserverstärkten Keramiken. Jedoch machen es Härte und Hochtemperatureigenschaften von Siliciumcarbid schwierig, damit zu arbeiten und es zu bearbeiten, so daß verschiedene Methoden der Herstellung entwickelt wurden abhängig von der gewünschten Form des herzustellenden endgültigen Gegenstandes.
  • Es gibt eine Anzahl von Anwendungen für keramische Fasermaterialien, die dem Kontakt mit viel höheren Temperaturen von mehr als 1500ºC widerstehen können, wobei sie ihre mechanischen Festigkeitseigenschaften behalten. Daher bleibt ein Bedarf für thermisch stabile Siliciumcarbidfasern mit kleinein Durchmesser zur Verwendung sowohl in Metall- als auch Keramikmatrixverbundmaterialien, die sehr hohe Betriebstemperaturen aushalten können.
  • Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Forderung, indem ein Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen polykristallinen Siliciumcarbidfasern und das damit hergestellte Produkt zur Verfügung gestellt werden, wobei das Produkt so bearbeitet werden kann, daß es einen geringen Durchmesser hat und bei hohen Temperaturen thermisch stabil ist. Das Verfahren wird durchgeführt, indem zuerst Fasern aus einem präkeramischen Polymervorläufer gebildet werden, der phenylgruppenhaltige Polyorganosiloxanharze umfaßt. Die Fasern werden dann unschmelzbar gemacht und anschließend einer Pyrolysestufe unterzogen, bei der die Fasern auf eine Temperatur von mehr als 1600ºC in einer nichtoxidierenden Atmosphäre erhitzt werden, um im wesentlichen polykristalline Siliciumcarbidfasern zu bilden. Die im wesentlicheri polykristallinen Siliciumcarbidfasern, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildet werden, haben mindestens 75% Krlstallinität, eine Dichte von mindestens etwa 2,9 g/cm³ und einen sehr geringen restlichen Sauerstoff- und/oder Stickstoffgehalt.
  • Der Polymervorläufer oder die Fasern enthalten oder beinhalten mindestens 0,2 Gew.-% Bor. Dieser Gehalt an Bor kann erreicht werden entweder vor oder während der Bildung der Fasern oder während mindestens einer der Stufen des Unschmelzbarmachens und der Pyrolyse während des Verfahrens. Zum Beispiel kann Bor direkt in den Polymervorläufer eingearbeitet werden, indem der Vorläufer mit einer borhaltigen Verbindung umgesetzt wird oder indem die borhaltige Verbindung mit dem Vorläufer vermischt wird. Alternativ kann Bor in den Polymervorläufer während der Stufe des Unschmelzbarinachens eingearbeitet werden, indem der Polymervorläufer einem borhaltigen Gas ausgesetzt wird. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann Bor in die Vorläuferfasern eingearbeitet werden während der Pyrolysestufe, indem die Vorläuferfasern einem borhaltigen Gas ausgesetzt werden. Es ist bevorzugt, daß das Bor im wesentlichen gleichmäßig verteilt in der ganzen Faser vorhanden ist.
  • Die Polymerfasern können mit irgendeinem der üblichen faserbildenden Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel können die Fasern mit Spinntechniken wie dem Schmelzspinnen, Naßspinnen oder Trockenspinnen gebildet werden. Eine bevorzugte faserbildende Klasse von Polyieren sind phenylgruppenhaltige Polyorganosiloxane mit einem Substitutionsgrad von etwa 1,0 bis 1,5. Es wurde gefunden, daß diese Klasse von Polymeren bei Raumtemperatur fest sind und Erweichungspunkte haben, die sie leicht zu Fasern formbar machen. Vorzugsweise haben die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendeten phenylgruppenhaltigen Polyorganosiloxane einen Erweichungspunkt von weniger als etwa 100ºC. Solche Polymere können leicht zu Fasern mit einem Durchmesser von 100 µm oder weniger, und vorzugsweise einem Durchmesser von etwa 50 µm bis hinab zu 10 µm, gezogen werden.
  • Die Fasern werden dann unschmelzbar gemacht, indem sie in üblicher Weise gehärtet und vernetzt werden. Zum Beispiel können die Fasern in Luft gehärtet werden. Alternativ können die Fasern unschmelzbar gemacht werden, indem die Fasern durch gamma-Bestrahlung oder Ultraviolettlicht gehärtet werden. Die Fasern können auch unschmelzbar gemacht werden indem die Fasern in einer Atmosphäre, die eine Säure, zum Beispiel Chlorwasserstoff, oder eine Base enthält, erhitzt werden.
  • Die Fasern können auch unschmelzbar gemacht werden zur gleichen Zeit, zu der Bor eingearbeitet wird, indem die Fasern in einer Atmosphäre, die eine Mischung aus Bortrichlorid und Ammoniak oder Bortrichlorid und einem Amin enthält, gehärtet werden. Die Fasern können auch unschmelzbar gemacht werden, indem die Fasern in einer Atmosphäre, die Diboran enthält, gehärtet werden, oder zuerst in einer Atmosphäre, die Stickoxid enthält, und anschließend in einer Atmosphäre, die Bortrichlorid oder Diboran enthält, gehärtet werden.
  • Nach der Unschmelzbarmachung werden die Fasern dann pyrolysiert, indem sie auf eine Temperatur von mehr als etwa 1600ºC und vorzugsweise eine Temperatur von etwa 1800 bis 1850ºC erhitzt werden. Temperaturen von mehr als etwa 2000ºC sind nicht bevorzugt, da ein unerwünschtes Korngrößenwachstum des Siliciuicarbids auftritt, das die Faserfestigkeit negativ beeinflußt. Die nicht-oxidierende Atmosphäre umfaßt ein Gas, wie zum Beispiel Argon, Helium, Stickstoff und Mischungen davon. Der Zeitraum, über den die Fasern auf einer speziellen maximalen Temperatur gehalten werden, variiert umgekehrt proportional mit der Temperatur. Die Dauer der Pyrolysebehandlung sollte ausreichen, um im wesentlichen den gesamten Sauerstoff und/oder Stickstoff aus den Fasern zu entfernen und das Bor im wesentlichen gleichmäßig durch die ganzen Fasern diffundieren zu lassen, wenn Bor während der Pyrolysestufe des Verfahrens zugegeben wurde. Zum Beispiel wurde gefunden, daß dann, wenn die Fasern auf etwa 1800 ºC erhitzt werden, die Temperatur etwa 1 Stunde lang aufrechterhalten werden sollte. Geringere Pyrolysetemperaturen erfordern entsprechend längere Behandlungszeiten.
  • Überraschenderweise bilden die für die Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendeten phenylgruppenhaltigen Polyorganosiloxane temperaturstabile Siliciumcarbidfasern trotz der wesentlichen Menge an Sauerstoff, die im Ausgangspolymer vorhanden ist, und trotz der Tatsache, daß Sauerstoff einen Teil der Polymergerüststruktur bildet. Durch die kontrollierte Zugabe vor Bor zu dem Polymer oder den Fasern an irgendeinem Punkt während des Verfahrens werden dichte polykristalline Siliciumcarbidfasern gebildet, die verbesserte mechanische Festigkeit bei hohen Betriebstemperaturen von mehr als etwa 900ºC aufweisen. Wenn Bor nicht in den Fasern während der Hochtemperaturstufe (d.h. 1600 ºC) der pyrolyse vorhanden ist, verlieren die Fasern ihre Form und haben eine sehr geringe Festigkeit.
  • Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen polykristallinen Siliciumcarbidfasern und das damit hergestellte Produkt bereitzustellen, das mit einem geringen Durchmesser erzeugt werden kann und bei hohen Temperaturen thermisch stabil ist. Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen.
  • Figur 1 der Zeichnungen ist eine Mikrophotographie, die mit einem Rasterelektronenmikroskop auf genommen wurde von einer von Polyorganosiloxan abgeleiteten Faser, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, die Bor enthält, nach der Pyrolyse 1 Stunde bei 1850ºC in Argonatmosphäre (15.000- fache Vergrößerung) und
  • Figur 2 ist eine Mikrophotographie auf genommen mit einem Rasterelektronenmikroskop von einer von Polyorganosiloxan stammenden Faser, die mit demselben Verfahren wie die Faser von Figur 1 hergestellt wurde, außer daß kein Bor in die Faser eingearbeitet wurde (10.000-fache Vergrößerung).
  • Die Polymervorläuferzusammensetzungen, die bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, werden ausgewählt aus der Klasse von Polyorganosiloxanharzen, die Phenylgruppen enthalten und die einen Substitutionsgrad von etwa 1,0 bis 1,5 haben. Solche Polymere sind typischerweise bei Raumtemperatur fest, können leicht zu Fasern mit geringem Durchmesser gesponnen werden, können unschmelzbar gemacht werden, so daß das Polymer in Faserform bleibt während der Pyrolyse und erzeugen, wenn sie pyrolysiert werden, eine keramische Zusammensetzung, bei der das Verhältnis von Kohlenstoff zu Silicium ungefähr 1:1 ist.
  • Vorzugsweise sind die Harze bei Raumtemperatur fest, haben aber Erweichungspunkte, die sie leicht extrudierbar machen für übliche Faserspinntechniken wie Schmelzspinnverfahren. Beivorzugte Erweichungstemperaturen für solche Zusammensetzungen sind weniger als etwa 100ºC. Dies läßt es zu, daß die Polymere bei Temperaturen von etwa 100 bis 115ºC gesponnen werden. Alter nativ können die Polyorganosiloxane Flüssigkeiten sein, die zu Fasern gesponnen werden und dann verfestigt werden durch schnelles Härten beim Verlassen der Spinnvorrichtung.
  • Die Polyorganosiloxane können zu Fasern geformt werden mit einer Anzahl üblicher Spinntechniken, zum Beispiel Schmelzspinnen, Trockenspinnen oder Naßspinnen. Nach dem Spinnen werden die Fasern zu sehr geringen Durchmessern von etwa 100 µm, vorzugsweise etwa 50 µm bis hinab zu 10 µm, gezogen. Diese geringen Durchmesser liefern keramische Fasern, die leichter zu verstärkenden Matrices für Verbundmaterialien gewoben werden können.
  • Die für die Durchführung der vorliegenden Erfindung geeigneten pbenylgruppenhaltigen Polyorganosiloxane enthalten vorzugsweise etwa 40 bis 70 Gew.-% PhSiO3/2, etwa 30 bis 50 Gew.-% RSiO3/2, worin R ein Methylrest oder eine aliphatische Gruppe einschließlich einer Propylgruppe ist, und 0 bis 20 Gew.-% R"R'SiO, worin R" ein Methylrest, eine aliphatische Gruppe oder ein Phenylrest ist und R' ein Phenylrest ist. Die phenylgruppenhaltigen Polyorganosiloxane enthalten vorzugsweise auch etwa 3 bis 6 Gew.-% 0H-Gruppen als Silanol-(SiOH)-Gruppen und haben ein zahlenmittleres Molekulargewicht im Bereich von etwa 1000 bis 1500. Es wurde gefunden, daß die Gegenwart von Silanolgruppen in dem Polyierharz die Viskosität des Harzes während des Schmelzspinnens verbessert. Obwohl es bevorzugt ist, ein Schmelzspinnverfahren zur Bildung der Fasern zu verwenden, kann jedes andere übliche Spinnverfahren auch verwendet werden. Zum Beispiel können die Fasern mit Spinntechniken, wie dem Naßspinnen oder Trockenspinnen, gebildet werden.
  • Der polymere Vorläufer oder die Fasern enthalten oder haben darin eingebaut mindestens etwa 0,2 Gew.-% Bor und am meisten bevorzugt mindestens etwa 0,6 Gew.-% Bor. Es ist auch wünschenswert, daß das in den Fasern vorhandene Bor im wesentlichen gleichmäßig in den ganzen Fasern verteilt ist. Diese Einarbeitung von Bor kann erreicht werden entweder vor oder während der Bildung der Fasern oder während mindestens einer der Stufen des Unschmelzbarmachens oder des anfänglichen Erwärmens bei dem Pyrolyse. Zum Beispiel kann Bor direkt in den Polymervorläufer eingearbeitet werden, indem der Vorläufer mit einer borhaltigen Verbindung umgesetzt wird, oder indem eine borhaltige Verbindung mit dem Vorläufer vermischt wird. Yajima et al., US-Patent Nr. 4 152 509, lehrt die Einarbeitung von Bor in das Gerüst eines polyorganosiloxanharzes durch eine Polykondensationsreaktion. Andere bekannte Reaktionsverfahren können auch verwendet werden, um Bor in den Polymervorläufer einzuführen.
  • Alternativ kann Bor in den Polymervorläufer während der Stufe des Unschmelzbarmachens eingearbeitet werden, indem der polymervorläufer einem borhaltigen Gas ausgesetzt wird. Dies kann erreicht werden bei relativ niedrigen Temperaturen von etwa 25 bis etwa 200ºC und unterhalb des Erweichungspunktes des Polymervorläufers. Zum Beispiel kann der Polymervorläufer einem diboranhaltigen Gas ausgesetzt werden, das in die Oberfläche der Polymervorläuferfasern und in ihre Kerne diffundiert und Bor dort ablagert. Es wurde gefunden, daß eine Diborankonzentration von etwa 0,1 bis etwa 1,0 Volumen-% in einem ansonsten inerten Gas wie Argon eine Atmosphäre liefert, die den Polymervorläufer härtet (unschmelzbar macht), während die gewünschten Konzentrationen an Bor in die Fasern eingebaut werden. Die Härtungszeiten sollten ausreichend sein, um zuzulassen, daß das Bor im wesentlichen gleichmäßig in die ganzen Fasern diffundiert, um eine Konzentration von mindestens 0,2 Gew.-% zu liefern.
  • Obwohl die Verwendung höherer Temperaturen ein schnelleres Härten des Polyiners bewirkt, ist es erwünscht, die Integrität der Fasern während des Härtens aufrechtzuerhalten. Daher sollte der Erweichungspunkt des Polymers während des Unschmelzbarmachens nicht überschritten werden. Es wurde jedoch gefunden, daß dann, wenn das Härten fortschreitet, die Erweichungstemperatur des Polymervorläufers ansteigt, so daß die Härtungstemperatur erhöht werden kann, wenn das Polymer härtet.
  • Alternativ können die Polymervorläuferfasern unschmelzbar gemacht werden, indein sie nacheinander einem borhaltigen Gas, wie Bortrifluorid, Bortribromid oder Bortrichlorid, und dann einem Amin, wie Ammoniak, bei Temperaturen im Bereich von etwa 25 bis etwa 200ºC ausgesetzt werden. Vorzugsweise werden sowohl das borhaltige Gas als auch die Amingase mit einem ansonsten inerten Gas wie Argon oder Stickstoff verdünnt. Es ist bevorzugt, daß die Konzentration des borhaltigen Gases in der Härtungsatmosphäre im Bereich von etwa 10 bis etwa 30 Volumen-% liegt, während das Amin im Bereich von etwa 1 bis etwa 15 Volumen-% vorhanden ist.
  • Wiederum ist es bevorzugt, die Fasern langsam so zu erhitzen, daß ihre Erweichungstemperatur nicht überschritten wird. Wenn jedoch das Härten fortschreitet, steigt die Erweichungstemperatur des Polyiiiers an und die Härtungstemperatur kann auch entsprechend erhöht werden, wenn das Härten fortschreitet. Die Härtungszeiten sollten ausreichend sein, um zuzulassen, daß das Bor in die Fasern diffundiert und im wesentlichen gleichmäßig darin bis zu der gewünschten Konzentration verteilt wird. Härtungszeiten im Bereich von 4 bis etwa 24 Stunden haben sich als angemessen erwiesen. Natürlich hängen die optimalen Härtungszeiten nicht nur von dem behandelten Polymer, sondern auch von dem Durchmesser der Fasern und der Konzentration von Bor in der Härtungsatmosphäre ab.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung können die Polymervorläuferfasern gehärtet werden, indem sie zuerst einer Atmosphäre, die Stickoxid enthält, ausgesetzt werden und anschließend einer Atmosphäre, die Bortrichlorid oder Diboran enthält, ausgesetzt werden. Stickoxidkonzentratianen im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 Volumen-% in einem ansonsten inerten Gas wie Argon haben sich als geeignet erwiesen, wenn anschließend die Fasern einer Atmosphäre ausgesetzt werden, die entweder Bortrichlorid oder Diboran enthält. Eine allgemeine Beschreibung des Härtungsverf ahrens mit Stickoxiden ist in US- Patent Nr. 4 847 027 enthalten.
  • Wiederum wird der Kontakt der Fasern mit der borhaltigen Atmosphäre bei Temperaturen unterhalb der Erweichungstemperatur der Fasern durchgeführt. Es wurde gefunden, daß Temperaturen im Bereich von etwa 25 bis etwa 200ºC verwendet werden können. Das Erhöhen der Temperatur mit der Zeit, wenn das Härten fortschreitet, beschleunigt das Härtungsverfahren. Gesamthärtungszeiten von etwa 4 bis etwa 24 Stunden können verwendet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann Bor in den Polymervorläufer eingearbeitet werden während der Anfangsstufen des Pyrolyseverfahrens, zum Beispiel während der Zeit, während die Fasern auf die Temperatur aufgeheizt werden, bei der die Pyrolyse beginnt und die Polymerzusammensetzung sich in eine keramische Zusammensetzung umwandelt. Zum Beispiel kann die Einarbeitung des Bors in die Vorläuferpolymerfasern bewirkt werden durch Diffusion eines borhaltigen Gases wie Diboran in die unschmelzbar gemachten Fasern.
  • Typischerweise wird der Einbau von Bor zunehmend schwieriger bei Temperaturen oberhalb von etwa 400ºC. Somit ist es bevorzugt, wenn Bor nach der Stufe des unschmelzbarmachens eingearbeitet wird, die Fasern mit einem borhaltigen Gas bei einer Temperatur unterhalb etwa 400ºC über einen Zeitraum zu behandeln, der ausreicht, damit das borhaltige Gas in der gewünschten Menge in die Fasern diffundiert. In dieser Ausführungsform der Erfindung kann die Stufe des Unschmelzbarmachens des Verfahrens verwendet werden, um die Polymervorläuferfasern zu härten, ohne daß es notwendig ist, Bor in die Fasern in dieser Stufe einzubauen. Jedoch liegt es im Bereich der vorliegenden Erfindung, Bor in die Fasern in jeder oder allen Stufen des Verfahrens einzuarbeiten.
  • Für die Fälle, bei denen eine übliche Härtung verwendet wird, um die Fasern unschmelzbar zu machen, kann eine Anzahl von Verfahren verwendet werden. Zum Beispiel können die Fasern in Luft während des Erhitzens gehärtet werden. Alternativ können die Fasern unschmelzbar gemacht werden, indem die Fasern durch gamma-Bestrahlung oder Ultraviolettlicht gehärtet werden. Die Fasern können auch unschmelzbar gemacht werden, indem die Fasern in einer Atmosphäre, die eine Säure, zum Beispiel Chlorwasserstoffsäure, oder eine Base, zum Beispiel Ammoniak oder ein Amin, enthält, erhitzt werden.
  • Nach dem Unschmelzbarmachen werden die Fasern dann pyrolysiert, indem sie auf eine Temperatur von mehr als etwa 1600ºC und vorzugsweise eine Temperatur von etwa 1800 bis 1850ºC erhitzt werden. Es wurde gefunden, daß sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff aus den Fasern bei Temperaturen oberhalb etwa 1400ºC entfernt werden. Die beste Verdichtung, eine Verbesserung des Moduls und Stabilität, wenn die Fasern anschließend hohen Temperaturen ausgesetzt werden, werden jedoch erreicht, wenn die Fasern bei Temperaturen von mehr als etwa 1600ºC pyrolysiert werden.
  • Wie oben erwähnt, kann Bor in die Fasern während der frühen Stufen der Pyrolyse eingearbeitet werden, indem die Fasern einer Atmosphäre ausgesetzt werden, die ein borhaltiges Gas enthält. Zum Beispiel können die Fasern einer Atmosphäre ausgesetzt werden, die Diboran oder andere Borhydride wie Tetraboran, Pentaboran oder dergleichen enthält. Andere borhaltige Verbindungen wie Borazin oder Trichlorborazin können auch verwendet werden, wenn die Temperaturen der Atmosphäre so sind, daß diese Verbindungen verdampft werden und in Gasform vorhanden sind.
  • Wiederum kann die Konzentration der borhaltigen Verbindung in der Atmosphäre gering sein. Wenn zum Beispiel Diboran verwendet wird, liegen mögliche Konzentrationen im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 1,0 Volumen-% der Atmosphäre. Wiederum können Inertgase wie Argon oder Helium verwendet werden, um den Rest der Atmosphäre auszumachen. Temperaturen, bei denen wesentliche Mengen an Bor abgelagert werden und in die Fasern diffundieren, liegen im Bereich von etwa 25 bis etwa 500ºC. Der Zeitraum für den Kontakt mit der borhaltigen Gasatmosphäre kann variieren auf Basis des Durchmessers der Fasern, der Konzentration des borhaltigen Gases in der Atmosphäre und der verwendeten Temperaturen. Typische Kontaktzeiten liegen im Bereich von etwa 1 bis etwa 24 Stunden.
  • Bei Pyrolysetemperaturen von mehr als etwa 1400ºC sind stickstoffhaltige Atmosphären nicht bevorzugt, da Stickstoff nicht inert ist gegenuber den Fasern bei diesen Temperaturbedingungen. Bei hohen Temperaturen sind wirklich inerte Gasatmosphären bevorzugt, wie Argon und/oder Helium. Pyrolysetemperaturen von mehr als etwa 2000ºC sind nicht bevorzugt, da ein unerwünschtes Korngrößenwachstum der Siliciumcarbidkeramik auftritt, was die Faserfestigkeit negativ beeinflußt.
  • Der Zeitraum, über den die Fasern auf einer speziellen maximalen Temperatur gehalten werden, variiert indirekt proportional mit der Temperatur. Die Dauer der Pyrolysebehandlung sollte ausreichend sein, um den Sauerstoff- und/oder Stickstoffgehalt der Fasern auf weniger als etwa 0,2 Gew.-% zu vermindern, um zuzulassen, daß Bor im wesentlichen gleichmäßig durch die Fasern diffundiert, wenn Bor während der Pyrolysestufe des Verfahrens zugegeben wurde. Wenn zum Beispiel die Fasern auf etwa 1800ºC erhitzt werden, wurde gefunden, daß diese Temperatur etwa 1 Stunde lang aufrechterhalten werden sollte. Geringere Pyrolysetemperaturen erfordern entsprechend längere Behandlungszeiten.
  • Die keramischen Fasern, die sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben, haben mindestens 75% Kristallinität und eine Dichte von mindestens etwa 2,9 g/cm³, was etwa 90 bis 95% der theoretischen Dichte bedeutet. Die Nikrophotographie von Figur 1 zeigt das Aussehen einer phenylgruppenhaltigen Polyorganosiloxanfaser nach Einarbeitung des Bors und 1-stündiger Pyrolyse bei 1850ºC. Die Gegenwart von Bor, das im wesentlichen gleichmäßig in der gesamten Faser verteilt ist, erzeugt eine dichte Faser mit einer relativ glatten Oberflächenstruktur und relativ feinen Korngrößen.
  • Die bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Siliciumcarbidfasern besitzen extrem feine Kornstrukturen mit Korngrößen von weniger als etwa 0,5 µm (weniger als etwa 500 nm) und typischerweise im Bereich von etwa 200 nm. praktisch der gesamte Sauerstoff und/oder Stickstoff, der ursprünglich in der Faser vorhanden war oder in die Faser eingeführt worden war, wird bei dem Hochtemperaturpyrolyseschritt entfernt. Weniger als etwa 1% und vorzugsweise weniger als etwa 0,5 Gew.-% Sauerstoff und/oder Stickstoff bleiben zurück.
  • Zum Vergleich werden Fasern, die in ähnlicher Weise behandelt wurden, einschließlich einer Hochtemperaturpyrolyse aber ohne Einarbeitung von Bor, porös, mechanisch geschwächt und grobkörnig, wie in der Mikrophotographie von Figur 2 dargestellt. Es wird angenommen, daß diese Porosität und die Schwächung der mechanischen Festigkeit bei Verlust von Gasen, die Co, Sio und N&sub2; (wenn N vorhanden ist) enthalten, auftreten während der Pyrolyse und der gleichzeitigen Kristallisation.
  • Um die Erfindung besser zu verstehen, wird auf die folgenden Beispiele Bezug genommen, die die Erfindung erläutern sollen, aber nicht den Schutzbereich beschränken sollen.
  • Beispiel 1
  • Ein phenylgruppenhaltiges Polyorganosiloxanharz, das etwa 28% Methyl-SiO3/2-Gruppen, 48% PhenYl-SiO3/2-Gruppen, 18% Diphenyl-SiO-Gruppen und 6% Phenyl-Methyl-SiO-Gruppen enthält, wobei alle Prozentangaben sich auf Gewicht beziehen, wurde für das Spinnen zu Fasern ausgewählt. Das Harz war bei Raumtemperatur fest und hatte eine Tg von ungefähr 50 bis 55ºC und ein zahleninittleres Molekulargewicht von ungefähr 1200. Das Harz umfaßte etwa 95 Gew.-% Siloxangruppen und etwa 5 Gew.-% Silanolgruppen.
  • Das Harz wurde in einer Labormonofilamentspinneinheit mit einem Durchmesser der Austrittsöffnung von 0,010 inch auf 105 bis 115ºC erhitzt und mit 0,02 bis 0,036 g/min in sechs getrennten Durchläufen extrudiert. Die Aufnahmegeschwindigkeit der Faser auf die Haspel war 145 bis 200 m/min und Fasern wurden erhalten mit einem Durchmesser von etwa 12 bis 18 µm. Die Fasern wurden wänrend des Spinnens einer Atmosphäre ausgesetzt, die Bortrichlorid in Argon enthielt. Anschließend wurden die Fasern nach und nach auf eine Temperatur von etwa 150 ºC erhitzt, während die Fasern Ammoniak in einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt waren.
  • Beispiel 2
  • Ein phenylgruppenhaltiges Polyorganosiloxanharz mit etwa 76 Gew. -% Phenyl-SiO3/2-Gruppen und 24 Gew.-% n-Propyl-SiO3/2- Gruppen wurde ausgewählt, um zu Fasern versponnen zu werden. Das Harz war bei Raumtemperatur fest, hatte eine Tg von ungefähr 50 bis 55ºC und ein Molekulargewicht von ungefähr 1200. Das Harz umfaßte etwa 95 Gew.-% Siloxangruppen und etwa 5 Gew.-% Silanolgruppen. Das Harz wurde zu Fasern versponnen unter Verwendung einer Labormonofilamentspinneinheit, wie in Beispiel 1, mit einer Spinntemperatur von etwa 100ºC, einer Extrusionsrate von 0,036 g/min und einer Aufnahmegeschwindigkeit der Haspel von 145 m/inin.
  • Beispiel 3
  • Fasern, die während des Spinnens des phenylgruppen haltigen Polyorganosiloxanharzes von Beispiel 1 erhalten wurden und die während des Spinnens einem Bortrichlorid in Argonatmosphäre ausgesetzt waren, wurden weiter gehärtet mit Bor, indem sie einer Argonatmosphäre ausgesetzt wurden, die 0,2 Volumen-% Diboran enthielt. Die Fasern wurden 30 Minuten auf Raumtemperatur gehalten und dann mit einem Temperaturanstieg von 1ºC/min auf 200ºC erhitzt, wobei sie jeweils 30 Minuten auf 45 und 55ºC gehalten.
  • Der Kontakt mit Diboran wurde dann gestoppt und das Erhitzen wurde mit 3ºC/min bis 1200ºC fortgesetzt. Dieses Verfahren erzeugte eine Keramikausbeute von 71,3% eines Materials, das immer noch faserartig war. Ein Teil dieser Fasern wurde dann erhitzt und 1 Stunde unter Argonatmosphäre in einem Graphitwiderstandsofen auf 1850ºC gehalten. Während der Pyrolysebehandlung verloren die Fasern 60,2% ihres Gewichts und den gesamten Sauerstoff bis auf 0,12%. Im Vergleich dazu ist ein typischer Sauerstoffgehalt von nicht mit Bor behandelten von Siloxan abgeleiteten keramischen Fasern 25 bis 30%.
  • Das keramische Material blieb faserartig und mindestens so trennbar wie die nicht mit Bor behandelten keramischen Fasern. Die Dichte, gemessen mit einer Sink/Aufschwimm-Technik, war 2,93 bis 3,03 g/cm³. Eine Mikrophotographie wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen und ist in Figur 1 gezeigt. Wie zu sehen ist, waren die Fasern intakt, außer einem etwas körnigen Kern, von dem angenommen wird, daß er auf dem geringen Borgehalt im Kern beruht. In den äußeren Teilen der Faser war eine Körnigkeit nicht nachweisbar (0,1 µm Korngröße). Bei einer weiteren Analyse wurde festgestellt, daß die Fasern zu mehr als 90% kristallines beta-Siliciumcarbid waren mit einer Krystallitgröße von 400 Å.
  • Für Vergleichszwecke wurde dasselbe Polyorganosiloxanharz zu Fasern versponnen. Die Fasern wurden dann gehärtet durch Kontakt mit Chlorwasserstoff während des Spinnens und anschließendein Kontakt mit Ammoniak in einer Charge zum Nachhärten nach dem Spinnen. Die Fasern wurden dann pyrolysiert, indem sie mit einer Rate von 3ºC/min in Argon auf eine Temperatur von 1200ºC erhitzt wurden. Die Fasern wurden dann wieder in Argon auf 1800ºC erhitzt, wobei sie 1 Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten wurden.
  • Es wurde kein Bor zu diesen Fasern in irgendeiner Stufe des Verfahrens zugegeben. Eine Mikrophotographie wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen und ist in Figur 2 gezeigt. Wie zu sehen ist, sind die Kerne der Fasern körnig und porös. Die Kerne sind umgeben von dünnen, relativ unporösen Schalen. Jedoch scheint sogar dieser Teil der Fasern ziemlich körnig zu sein. Die endgültige Faserfestigkeit war vernachlässigbar; die Fasern zerkrümelten bei Berührung. Wie zu sehen ist, liefert das Siliciumcarbidfasersyntheseverfahren kein geeignetes Faserprodukt ohne die Gegenwart von Bor.
  • Obwohl bestimmte beispielhafte Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die vorliegende Erfindung zu erläutern, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Änderungen bei den hier offenbarten Methoden gemacht werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen polykristallinen Siliciumcarbidfasern, umfassend die Stufen, daß man:
a) Fasern bildet aus einem präkeramischen Polymervorläufer, der aus phenylgruppenhaltigen Polyorganosiloxanharzen besteht;
b) die Fasern unschmelzbar macht und
c) die Fasern bei einer Temperatur von mehr als 1600ºC in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre pyrolysiert unter Bildung von im wesentlichen polykristallinen Siliciumcarbidfasern;
wobei der Polymervorläufer oder die Fasern mindestens etwa 0,2 Gew.-% Bor enthalten oder darin eingearbeitet haben entweder vor der Stufe a) oder während mindestens einer der Stufen a), b) und c).
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die im wesentlichen polykristallinen Siliciuincarbidfasern mindestens 75% Kristallinität aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die im wesentlichen polykristallinen Siliciumcarbidfasern eine Dichte von mindestens etwa 2,9 g/cm³ haben.
DE1990617868 1989-12-12 1990-12-11 Herstellung von Fasern aus Siliziumkarbid von Polyorganosiloxanen. Expired - Fee Related DE69017868T2 (de)

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