DE69102647T2 - Herstellung keramischer fäden. - Google Patents
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf Feuerfestfasern und insbesondere, aber nicht ausschließlich auf die Herstellung von Siliciumkarbidfasern und mit Siliciumkarbid beschichteten Kohlenstoffasern.
- Das GB-Patent Nr. 2227483 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Feuerfestfasern aus Siliciumkarbid oder mit Siliciumkarbid beschichtetem Kohlenstoff, in dem dünne Kohlenstoffasern durch geschmolzenes Silicium gefördert werden. Geschmolzenes Silicium ist in einem Schmelztiegel enthalten, der an seiner Grundfläche mit einen oder mehreren Löchern versehen ist, durch die eine Faser bzw. Fasern gezogen werden können. Die Löcher sind so bemessen, daß die Oberflächenspannungskräfte im geschmolzenen Silicium das Ausfließen des Siliciums aus dem Schmelztiegel verhindern.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Feuerfestfäden, insbesondere Siliciumkarbid zu schaffen, indem geschmolzenes Material wie z.B. Silicium ohne die bei einem Schmelztiegelbehälter vorhandenen Probleme verwendet wird.
- Die Erfindung schafft in einer Ausführung eine Vorrichtung zur Herstellung von Feuerfestmaterialfäden, die versehen ist mit: einem Gehäuse; Mitteln zum Erhitzen der Bestandteile des Feuerfestmaterials; Nichtberührungsmitteln zum Tragen eines Tropfens aus geschmolzenem Material als einem der Bestandteile des Feuerfestmaterials im Gehäuse; und Mitteln zum Transport eines Fadens aus Material, das ein zweiter Bestandteil des Feuerfestmaterials ist, durch den Tropfen aus geschmolzenem Material beim Betrieb.
- In einer Anordnung kann die Vorrichtung mit einem Kohlenstoffaden und geschmolzenem Silicium verwendet werden.
- Das Mittel zum Tragen oder Schwebenlassen des Siliciumtropfens kann eine Schwebespule und/oder ein Gasstrahl sein. Ein Siliciumdioxidglasrohr oder ein anderes feuerfestes Rohr kann zur Führung des Gasstrahls vorgesehen werden, wobei das Gas so gewählt werden kann, daß eine inerte Schutzatmosphäre zur Vermeidung von Oxidation geschaffen wird.
- Vorteilhaft weist das Gehäuse gegenüberliegende Seitenarme auf, die für den Einlaß bzw. den Auslaß des Fadens dienen. Wahlweise kann der Faden vertikal durch den geschmolzenen Siliciumtropfen gefördert werden. Ein geneigtes Seitenrohr kann vorgesehen sein, durch das Siliciumkörner in das Gehäuse zum Zusetzen zum geschmolzenen Tropfen eingeführt werden können.
- In einer Ausführung kann das anfängliche Aufheizen des Siliciums vor dem Schweben dadurch erreicht werden, daß eine widerstandserhitzte Siliciumnitridplattform vorgesehen ist, auf der das Silicium geschmolzen werden kann, wobei die Plattform aus dem Feld der Schwebespule entfernbar ist, um einen schwebenden Siliciumtropfen zurückzulassen. Alternativ kann ein Laser zum Schmelzen des Siliciums vorgesehen sein.
- Die Erfindung schafft außerdem in einer zweiten Ausführung ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumkarbidfäden, das die Schritte aufweist:
- a) Bilden eines geschmolzenen Siliciumtropfens;
- b) Schwebenlassen des geschmolzenen Tropfens; und
- c) Fördern eines Kohlenstoffadens durch den geschmolzenen Tropfen.
- Der geschmolzene Tropfen kann gebildet werden durch:
- a) Anordnen von Silicium auf einer Plattform;
- b) Erhitzen der Plattform; danach
- c) Entfernen der Plattform.
- In einer Ausführung ist die Pattform aus Siliciumnitrid, so daß sie nicht mit geschmolzenem Silicium benetzt werden kann. Das Silicium kann dann durch Widerstandserhitzung der Plattform oder durch Erhitzung mit Hilfe eines Lasers geschmolzen werden.
- Sobald das Silicium geschmolzen ist, können das Mittel zum Schwebenlassen des geschmolzenen Siliciums angewendet und die Plattform entfernt werden, um den schwebenden Siliciumtropfen zurückzulassen.
- Das Schweben kann durch Einwirkung eines elektromagnetischen Feldes von einer Schwebespule oder durch Bildung eines Aufwärtsstrahls eines Trägergases erreicht werden.
- Vorzugsweise wird das Gas so gewählt, daß keine Oxidation des geschmolzenen Siliciums auftritt.
- Der Kohlenstoffaden kann einfacherweise horizontal durch den geschmolzenen Tropfen gefördert werden.
- Vorzugsweise wird der geschmolzene Siliciumtropfen durch Zusetzen festen Siliciums zum geschmolzenen Tropfen nachgefüllt, um eine kontinuierliche Herstellung von Siliciumkarbidfäden zu ermöglichen.
- Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügte Figur beschrieben, die einen Kohlenstoffaden 10 zeigt, der in das Reaktionsgehäuse 11 geführt ist. Das Reaktionsgehäuse 11 ist aus einem vertikalen Siliciumdioxidrohr 12 gebildet, das an seinem unteren Ende 13 offen und an seinem oberen Ende 14 geschlossen ist. Zwei gegenüberliegende Seitenrohre 15, 16 sind vorgesehen, durch die der Kohlenstoffaden 10 von einer Abrollspule (nicht gezeigt) zu einer Aufrollspule (nicht gezeigt) geführt wird. Wie gezeigt, schwebt ein kugelförmiger Tropfen 1 aus geschmolzenem Silicium mit Hilfe einer externen Schwebespule (der Deutlichkeit wegen nicht gezeigt), so daß der Kohlenstoffaden 10 durch das geschmolzene Silicium gefördert wird. Ein Inertgas wird in das Siliciumdioxidglasrohr 13 eingeführt, um eine Oxidation des erhitzten Siliciumdioxids zu vermeiden, derart, daß das Gas an dem offenen Rohrende 13 eintritt und durch die Seitenrohre 15 und 16 austritt.
- Das Silicium wird im kalten Zustand wegen seiner bei Raumtemperatur geringen elektrischen Leitfähigkeit normalerweise nicht schweben. Um dieses Problem zu bewältigen, kann eine Siliciumnitridplattform vorgesehen sein, um das feste Silicium innerhalb der Schwebespule und innerhalb des erhitzten Bereiches in dem Siliciumdioxidrohr 12 zu tragen. Die Siliciumnitridplattform wird dann widerstandserhitzt, und sobald das Silicium rotglühend ist, wird die Plattform langsam durch das Rohr 12 abwärts bewegt, während die Schwebespule erregt wird. Siliciumnitrid ist ein besonders geeignetes Material für die Plattform, da es nicht mit Silicium benetzt wird.
- Beim Gebrauch werden ein oder mehrere Kohlenstoffäden durch das geschmolzene Silicium gezogen, wobei der Fadendurchmesser und die Zuggeschwindigkeit bestimmen, ob: der Kohlenstoff mit Silicium beschichtet wird; die Kohlenstoffoberfläche in Siliciumkarbid umgewandelt wird; oder der Kohlenstoff vollständig in Siliciumkarbid umgewandelt wird.
- Das Aufwärtsströmen des Gases durch das Reaktionsgehäuse 11 unterstützt das Tragen des geschmolzenen Siliciumtropfens 17, wobei es möglich wäre, die Schwebespule wegzulassen und lediglich den Gasauftrieb zu nutzen. In einer alternativen Anordnung können die Seitenrohre 15 und 16 weggelassen sein und der Faden aufwärts durch den geschmolzenen Siliciumtropfen und durch eine geeignete Öffnung auf dem Siliciumdioxidrohr 12 gezogen werden.
- Obwohl die Erfindung mit Bezug auf die Herstellung von Siliciumkarbidfäden beschrieben wurde, kann die Erfindung für jedes Fadenmaterial angewendet werden, das beschichtet oder mit einem weiteren Material, das in einem Reaktionsgehäuse schweben kann, zur Reaktion gebracht werden soll.
- Ein weiteres geneigtes Seitenrohr kann in der Wand des Siliciumdioxidrohres vorgesehen sein, so daß Siliciumkörner hindurchgeführt werden können, die in den geschmolzenen Siliciumtropfen fallen, um verlorenes Silicium nachzufüllen.
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Herstellung von Feuerfestmaterialfäden
(10), die ein Gehäuse (11) und Mittel zum Erhitzen des
Feuerfestmaterials aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen
sind:
Nichtberührungsmittel zum Tragen eines Tropfens (17)
aus geschmolzenem Material als einem der Bestandteile
des Feuerfestmaterials im Gehäuse; und
Mittel zum Transport eines Fadens aus Material, das ein
zweiter Bestandteil des Feuerfestmaterials ist, durch
den Tropfen aus geschmolzenem Material beim Betrieb.
2. Vorrichtung zur Herstellung von Feuerfestmaterialfäden
nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Faden (10) Kohlenstoff ist und das geschmolzene
Material (17) Silizium ist.
3. Vorrichtung zur Herstellung von Feuerfestmaterialfäden
nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Mittel zum Tragen oder Schwebenlassen des
Siliziumtropfens (17) eine Schwebespule und/oder ein Gasstrahl
ist.
4. Vorrichtung zur Herstellung von Feuerfestmaterialfäden
nach irgendeinem vorstehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Siliziumdioxidglasrohr (13) zur Führung des
Gasstrahls
vorgesehen ist und das Gas inert ist, wodurch
eine Schutzatmosphäre zur Vermeidung von Oxidation
vorgesehen wird.
5. Vorrichtung zur Herstellung von Feuerfestmaterialfäden
nach irgendeinem vorstehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse gegenüberliegende Seitenarme (15, 16)
aufweist, die für den Einlaß bzw. den Auslaß des Fadens
(10) dienen.
6. Vorrichtung zur Herstellung von Feuerfestmaterialfäden
nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Faden (10) vertikal durch den geschmolzenen
Siliziumtropfen (17) gefördert wird.
7. Vorrichtung zur Herstellung von Feuerfestmaterialfäden
nach irgendeinem vorstehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein geneigtes Seitenrohr vorgesehen ist, durch das
Siliziumkörner in das Gehäuse zum Zusetzen zum
geschmolzenen Tropfen (17) eingeführt werden können.
8. Vorrichtung zur Herstellung von Feuerfestmaterialfäden
nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine widerstandserhitzte Siliziumnitridplattform
vorgesehen ist, auf der das Silizium vor dem Schweben
geschmolzen werden kann, wobei die Plattform in einer
Lage im Feld der Schwebespule und daraus entfernbar
angeordnet ist, um einen schwebenden Siliziumtropfen
(17) zurückzulassen.
9. Vorrichtung zur Herstellung von Feuerfestmaterialfäden
nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Laser zum Schmelzen des Siliziums vor dem Schweben
vorgesehen ist.
10. Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbidfäden
durch Fördern eines Kohlenstoffadens durch
geschmolzenes Silizium,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schritte vorgesehen sind:
a) Bilden eines geschmolzenen Siliziumtropfens (17);
b) Schwebenlassen des geschmolzenen Tropfens; und
c) Fördern eines Kohlenstoffadens (10) durch den
geschmolzenen Tropfen (17).
11. Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbidfäden nach
Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
der geschmolzene Tropfen (17) gebildet wird durch:
a) Anordnen von Silizium auf einer Plattform;
b) Erhitzen der Plattform; danach
c) Entfernen der Plattform.
12. Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbidfäden nach
Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
der geschmolzene Tropfen (17) durch Einwirkung eines
elektromagnetischen Feldes von einer Schwebespule zum
Schweben gebracht wird.
13. Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbidfäden nach
einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Aufwärtsstrahl eines Trägergases vorgesehen wird.
14. Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbidfäden nach
Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gas so gewählt wird, daß keine Oxidation des
geschmolzenen Siliziums (17) auftritt.
15. Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbidfäden nach
einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kohlenstoffaden (10) horizontal durch den
geschmolzenen Tropfen (17) gefördert wird.
16. Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbidfäden nach
einem der Ansprüche 10 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
der geschmolzene Siliziumtropfen (17) durch Zusetzen
festen Siliziums zum geschmolzenen Tropfen nachgefüllt
wird, um dadurch eine kontinuierliche Herstellung von
Siliziumkarbidfäden zu ermöglichen.
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