HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung von Siliciumcarbidfasern. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von
Siliciumcarbidfasern, welche als Verstärkungsfasern für
Verbundstoffe und als Wärmeisolationsmaterialien nützlich
sind.
2. Beschreibung der verwandten Technik
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Es ist bekannt, Siliciumcarbidfasern herzustellen,
indem ein Vorläufer, der aus einer organischen
Siliciumverbindung besteht, umgewandelt wird oder indem
Kohlenstoffasern oder Wolframfasern mit einem Durchmesser von mehreren
um mit Siliciumcarbid beschichtet werden, wobei ein
chemisches Aufdampfen (CVD) oder ein Dampfabscheidungsverfahren
verwendet wird.
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Bei dem herkömmlichen Vorläuferumwandlungsverfahren,
wie es beispielsweise in der japanischen geprüften
Patentveröffentlichung (Kokoku) Nr. 59-33,681 offenbart ist, wird
ein Polydimethylsilan aus Dimethyldichlorsilan in Gegenwart
von metallischem Natrium über eine Dechlorierungsreaktion
synthetisiert und dann über eine thermische
Zersetzungsreaktion in ein Polycarbosilan umgewandelt. Das resultierende
Polycarbosilan wird schmelzgesponnen, die resultierenden
Polycarbosilanfilamente werden bei einer Temperatur von
100ºC bis 190ºC in der Luft wärmebehandelt, um die
Filamente thermisch zu oxidieren und um die Filamente
unschmelzbar zu machen, und dann werden die resultierenden
oxidierten Filamente bei einer Temperatur von 1.200ºC bis
1.500ºC in einem inerten Gasstrom gesintert.
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Die Siliciumcarbidfasern, welche durch das oben
erwähnte Verfahren hergestellt wurden, sind vorteilhaft darin,
daß sie eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und eine
hohe Wärmebeständigkeit aufweisen. Nichtsdestotrotz sind
die Fasern darin nachteilig, daß sie aufgrund ihres hohen
Moduls schwer schnell zu biegen sind und aufgrund ihrer
hohen Beständigkeit gegenüber einer plastischen Deformation
schwer zu einem Stoff gewebt werden können. Auch ist es,
wenn die Siliciumcarbidfasern zu Stapelfasern geschnitten
werden und dann zu einer Blattform, z. B. einem Filz,
verarbeitet werden, unmöglich, das Blatt zu bilden ohne ein
Bindemittel zu benutzen, da die Siliciumcarbidfasern eine hohe
Steifigkeit und somit eine sehr schlechte Fähigkeit, sich
miteinander zu verflechten, aufweisen. Das Bindemittel
besteht aus einer organischen Substanz und diese zeigt eine
relativ schlechte Wärmebeständigkeit. Wenn der
Siliciumcarbidfaserstoff unter Verwendung des Bindemittels hergestellt
wird, zeigt der resultierende Stoff demgemäß insgesamt eine
relativ schlechte Wärmebeständigkeit, und somit kann die
hohe Wärmebeständigkeit der Siliciumcarbidfasern nicht
ausgenutzt werden.
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Wenn das oben erwähnte Verfahren verwendet wird, wird
erwartet, daß ein Stoff aus den Vorläuferfasern gebildet
und der Vorläuferfaserstoff gesintert wird, um einen
Siliciumcarbidfaserstoff zu erzeugen. Diese Erwartung kann
jedoch nicht erfüllt werden, da die
Vorläufer-Polycarbosilanfasern eine sehr schlechte mechanische Festigkeit
aufweisen und somit eine sehr schlechte Verarbeitbarkeit
zeigen. Daher ist es praktisch unmöglich, ein Blatt aus den
Polycarbosilanfasern zu erzeugen.
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Bei dem herkömmlichen Dampfabscheidungsverfahren, wie
es beispielsweise in der japanischen ungeprüften
Patentver
öffentlichung (Kokai) Nr. 60-231,820 offenbart ist, werden
Kohlenstoffasern mit einem Siliciummonoxid(SiO)-Gas in der
Wärme umgesetzt. Dieses herkömmliche Verfahren ist jedoch
darin nachteilig, daß nur die Oberflächenbereiche der
Kohlenstoffasern zu Siliciumcarbid umgewandelt werden können
und die inneren Bereiche der Kohlenstoffasern im
wesentlichen nicht vollständig zu Siliciumcarbid umgewandelt werden
können.
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DE-A-21 23 572 offenbart ein Verfahren, um
Siliciumcarbidartikel herzustellen, indem poröse Kohlenstoffartikel
mit einem Siliciummonoxid(SiO)-Gas bei 1800 bis 2100ºC
umgesetzt werden.
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Gemäß der US-A-4,481,179 werden SiC-Fasern hergestellt,
indem Kohlenstoffasern in einer 1 : 1-Mischung aus
kolloidalem Silica und Rußschwarz eingebettet werden und die
Mischung in einer Argonatmosphäre bei Temperaturen über
1550ºC erwärmt wird.
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Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von
Siliciumcarbidfasern unter Verwendung eines CVD-Verfahrens
ist es bekannt, Siliciumcarbid auf den Oberflächen von
Kohlenstoffasern oder Wolframfasern zu beschichten, indem
Siliciumtetrachlorid als eine Siliciumversorgungsquelle
verwendet wird. Die Siliciumcarbidfasern, welche durch
dieses Verfahren hergestellt werden, sind nachteilig darin,
daß die resultierenden Fasern einen großen Durchmesser und
ein hohes Elastizitätsmodul aufweisen und somit schwer zu
einem Gewebe zu verweben sind. Auch sind die
Schwierigkeiten mit den Stapelfasern bei der Bildung eines Blattes
ähnlich, wie wenn die Siliciumcarbidfasern, die durch das
Vorläuferverfahren hergestellt wurden, verwendet werden.
Weiterhin werden, wenn die kontinuierlichen
Silciumcarbidfilamente, die durch das CVD-Verfahren hergestellt wurden, zu
Stapelfasern geschnitten werden, wobei geschnittene
Oberflächen der Stapelfasern gebildet werden, die Kernbereiche
der geschnittenen Oberfläche, die aus Kohlenstoff und
Wolfram bestehen, an der Außenseite exponiert. Demgemäß zeigen
die resultierenden Stapelfasern insgesamt eine verringerte
Beständigkeit gegenüber einer Oxidation, und somit zeigt
das Blatt, das aus den Stapelfasern gebildet wurde,
ebenfalls eine nicht zufriedenstellende Beständigkeit gegenüber
einer Oxidation.
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Als ein Siliciumcarbidfasermaterial, welches in der
Lage ist, zu einer Blattform verarbeitet zu werden, sind
Whiskerfasern bekannt. Das Verfahren zur Herstellung der
Whiskerfasern ist in der japanischen geprüften
Patentveröffentlichung (Kokoku) Nr. 49-32,719 offenbart. Die
Whiskerfasern weisen eine kleine Dicke von 0,05 um bis zu mehreren
um und eine Länge von maximal 50 um auf. Die Whiskerfasern
sind faserartige Kristalle und sie sind steif und können
somit nicht zu einem Blatt verarbeitet werden, wenn kein
Bindemittel eingesetzt wird. Da die Fasern sehr dünn und
kurz sind, ist es auch schwierig, ein voluminöses (bulky)
Blatt mit einer hohen mechanischen Festigkeit aus den
Whiskarfasern zu bilden.
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Wie oben erwähnt wurde sind die Siliciumcarbidfasern
oder -filamente, die durch die herkömmlichen Verfahren
hergestellt wurden, schwer zu einem Siliciumcarbidfaserblatt
mit einer hohen mechanischen Festigkeit zu formen, wenn
kein Bindemittel eingesetzt wird. Ebenso ist es schwierig,
ein Gewebe mit einer hohen Webdichte aus kontinuierlichen
Siliciumcarbidfilamenten herzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidfasern mit
einer hohen mechanischen Festigkeit, selbst bei einer hohen
Temperatur, und mit einer ausgezeichneten
Wärmebeständigkeit zur Verfügung zu stellen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidfasern, die
nicht nur in den Oberflächenbereichen sondern ebenfalls in
ihren Kernbereichen aus Siliciumcarbid bestehen und eine
dichte Struktur aufweisen, zur Verfügung zu stellen.
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Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren zur Herstellung von
Siliciumcarbidfasern mit einer hohen Beständigkeit gegenüber einer
Oxidation, selbst in einer oxidativen Atmosphäre bei einer hohen
Temperatur, und welche somit gegenüber einer Bildung von
Hohlräumen in den Kernbereichen und gegenüber einer
Verringerung des Gewichts und der mechanischen Festigkeit
beständig sind, zur Verfügung zu stellen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidfasern zur
Verfügung zu stellen, die fähig sind, zu einer Blattform
geformt werden zu können, selbst wenn kein Bindemittel
eingesetzt wird.
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Die oben erwähnten Aufgaben können durch das Verfahren
der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von
Siliciumcarbidfasern gelöst werden, indem aktivierte poröse
Kohlenstoffasern mit einer Dicke von 5 bis 100 um mit einem
Siliciummonoxidgas bei einer Reaktionstemperatur in dem Bereich
von 800ºC bis 1400ºC unter einem verminderten Druck von 10
Pa oder weniger umgesetzt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zur
Herstellung von Siliciumcarbidfasern gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart und
beansprucht.
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Die porösen Kohlenstoffasern, welche für die
vorliegende Erfindung verwendbar sind, weisen vorzugsweise einen
spezifischen Oberflächenbereich von 100 bis 3000 m²/g,
insbesondere von 100 bis 2500 m²/g auf.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt
wahlweise weiterhin ein Wärmebehandeln der resultierenden
Siliciumcarbidfasern bei einer Temperatur von 800ºC bis 1500ºC
in einer Gasatmosphäre, welche ein oxidatives Gas enthält.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden
poröse Kohlenstoffasern mit einem Siliciummonoxid(SiO)-Gas
bei einer Temperatur von 800ºC bis 1400ºC umgesetzt.
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Die porösen Kohlenstoffasern, welche für die
vorliegende Erfindung verwendbar sind, sind nicht auf einen
bestimmten Typ von Kohlenstoffasern beschränkt. Vorzugsweise
weisen die porösen Kohlenstoffasern eine große Anzahl von
feinen Poren auf, die gleichmäßig in den Fasern verteilt sind
und eine Größe von 0,5 nm bis 20 nm aufweisen, und zeigen
somit einen spezifischen Oberflächenbereich von 100 bis
3.000 m²/g, noch bevorzugter von 100 bis 2.500 m²/g. Auch
weisen die Kohlenstoffasern, welche für die vorliegende
Erfindung verwendbar sind, eine Dicke von 5 bis 100 um auf.
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Wenn der spezifische Oberflächenbereich weniger als 100
m²/g beträgt, ist es manchmal schwierig, die Kernbereiche
der Kohlenstoffasern vollständig zu Siliciumcarbidfasern
umzuwandeln, und somit enthalten in den resultierenden
Fasern manchmal nur die Oberflächenbereiche Siliciumcarbid.
Wenn der spezifische Oberflächenbereich mehr als 3.000 m²/g
beträgt, zeigen die resultierenden Siliciumcarbidfasern
manchmal ebenfalls eine schlechte mechanische Festigkeit
und sind schwer zu handhaben.
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Um Siliciumcarbidfasern mit einer hohen mechanischen
Festigkeit zu erhalten ist es weiterhin bevorzugt, daß die
porösen Kohlenstoffasern in Form einer geraden Linie
vorliegen, eine glatte Oberfläche aufweisen, die frei von
Fehlern ist, und noch bevorzugter einen Kernbereich aufweisen,
der frei von Fehlern ist.
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Unter den porösen Kohlenstoffasern, welche für das
Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, sind
aktivierte Kohlenstoffasern, die durch ein Aktivieren von
Kohlenstoffasern hergestellt wurden, bevorzugte Fasern. Die
aktivierten Kohlenstoffasern können durch ein herkömmliches
Verfahren hergestellt werden, welches beispielsweise
umfaßt: ein Wärmebehandeln von organischen Fasern, die
ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend z. B. aus
Cellulosefasern, Polyacrylnitrilfasern, Petroleumasphaltfasern,
Polyimidfasern und Phenolharzfasern, in einer oxidativen
Gasatmosphäre bei einer Temperatur von 200ºC bis 400ºC, um die
organischen Fasern in nichtschmelzbare Fasern umzuwandeln;
ein Carbonisieren der wärmebehandelten organischen Fasern
in einem inerten Gas bei einer Temperatur von 450ºC bis
1.000ºC; und ein In-Kontakt-Bringen der resultierenden
Kohlenstoffasern mit einem aktivierenden Gas, z. B. Wasserdampf
(Dampf), bei einer Temperatur von 800ºC bis 1.200ºC, um die
Kohlenstoffasern zu aktivieren. Die porösen
Kohlenstoffasern weisen eine Dicke (Durchmesser) von 5 bis 100 um auf.
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Insbesondere um Siliciumcarbidfasern mit einer dichten
Struktur, selbst in ihren Kernbereichen, und mit einer
hohen mechanischen Festigkeit herzustellen, ist es
bevorzugter, aktivierte poröse Kohlenstoffasern mit einem
Durchmesser von 5 bis 20 um und einem spezifischen
Oberflächenbereich von 400 bis 2.000 m²/g zu verwenden.
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Die Versorgungsquelle für das Siliciummonoxidgas,
welche für die vorliegende Erfindung verwendbar ist, ist nicht
besonders beschränkt. Vorzugsweise wird ein
Siliciummonoxidgas, das durch ein Erwärmen von Körnchen oder Partikeln
von Siliciummonoxid oder Siliciumdioxid oder einer Mischung
von feinen Siliciumpartikeln und feinen
Siliciummonoxidpartikeln oder einer Mischung von feinen Siliciumpartikeln und
einen Siliciumdioxidpartikeln bei einer Temperatur von
500ºC oder mehr unter einem verminderten Druck von 10&supmin;&sup6; bis
1000 Pa erzeugt wurde, bevorzugt für das Verfahren der
vorliegenden Erfindung verwendet.
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Die Erzeugung des Siliciummonoxidgases wird
vorzugsweise in einem Heizofen vom Vertikaltyp oder Horizontaltyp
durchgeführt, welcher mit einer innen liegenden
Heizeinrichtung, einer außen liegenden Heizeinrichtung oder einem
Induktionsheizgerät ausgestattet ist und in der Lage ist,
die Materialien unter einem verminderten Druck oder in
einer Gasatmosphäre oder einem -strom zu beheizen. Der
Heizofen ist vorzugsweise ein Ofen vom Röhrentyp oder
Kastentyp, welcher aus einem feuerfesten Material, z. B.
Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Mullit oder
Kohlenstoff gefertigt ist.
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Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es, da
Siliciumoxid erzeugt wird, indem das Siliciummonoxidgas in
die feinen Poren der porösen Kohlenstoffasern eindringen
gelassen wird und das eingedrungene Siliciummonoxidgas mit
dem Kohlenstoff umgesetzt wird, welcher die Wandoberflächen
der feinen Poren bildet, bevorzugt, daß die Konzentration
des Siliciummonoxidgases in dem Reaktionssystem so hoch wie
möglich ist, um so die Diffusion des Siliciummonoxidgases
in die feinen Poren zu fördern. Die Konzentration des
Siliciummonoxidgases beträgt im Hinblick auf den Druck 10&supmin;³ bis
10 Pa, der Druck in dem Heizofen beträgt also 10 Pa oder
weniger, und die Temperatur in dem Heizofen wird auf 800ºC
bis 1400ºC, noch bevorzugter von 1.000ºC auf 1.400ºC
reguliert.
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Um zu bewirken, daß das Siliciummonoxidgas, welches in
die feinen Poren diffundiert ist, mit dem Kohlenstoff in
dem inneren Oberflächenbereich der porösen Kohlenstoffaser
reagiert, ist es notwendig, von außen eine Energie zu dem
Reaktionssystem zuzuführen. Demgemäß ist es, um
Siliciumcarbid zu produzieren, notwendig, die porösen
Kohlenstoffasern und das Siliciummonoxidgas, das innerhalb der feinen
Poren in den porösen Kohlenstoffasern lokalisiert ist, zu
erwärmen, nachdem das Siliciummonoxidgas in die feinen
Poren diffundiert ist. Das Erwärmen wird vorzugsweise in
einem röhrenförmigen oder kastenförmigen Heizofen eines
vertikalen oder horizontalen Typs durchgeführt, welcher
eine innere oder äußere Heizeinrichtung oder eine
Induktionsheizeinrichtung aufweist, die aus einem feuerfesten
Material, z. B. Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid,
Mullit oder Kohlenstoff gefertigt ist und welche in der
Lage ist, die Materialien unter einem vermindertem Druck
oder in einer Gasatmosphäre oder einem -strom bei einer
Temperatur von 800ºC bis 1400ºC unter einem Vakuum oder in
einer Atmosphäre, die aus einem inerten Gas, z. B. Argongas
oder Stickstoffgas besteht, zu beheizen.
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Wenn die Heiztemperatur niedriger als 800ºC ist, wird
die Reaktion der porösen Kohlenstoffasern und des
Siliciummonoxidgases nicht abgeschlossen und Kernbereiche der
porösen Kohlenstoffasern werden nicht zu Siliciumcarbid
umgewandelt. Wenn die Heiztemperatur höher als 1400ºC ist,
wachsen die resultierenden feinen Partikel von
Siliciumcarbid und somit zeigen die resultierenden
Siliciumcarbidfasern eine verringerte mechanische Festigkeit und brechen
leicht.
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Um die porösen Kohlenstoffasern, selbst in ihren
Kernbereichen, vollständig in relativ dichte
Siliciumcarbidfasern umzuwandeln, ist es bevorzugt, daß die
Reaktionstemperatur auf ein Niveau von 1.000ºC bis 1.400ºC reguliert
wird. Um die unerwünschte Bildung von Whiskers zu
begrenzen, wird die Reaktion unter einem Druck von 10 Pa oder
weniger durchgeführt. Die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit
des Reaktionssystems ist nicht auf eine bestimmte
Geschwin
digkeit beschränkt. Das Reaktionssystem wird jedoch
vorzugsweise mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von
50 bis 1.500ºC/h erwärmt. Ebenso wird die
Reaktionstemperatur vorzugsweise für eine Minute bis 20 Stunden,
bevorzugter 30 Minuten bis 10 Stunden, beibehalten. Wenn die
Reaktionsdauer kürzer als eine Minute ist, wird die Reaktion
manchmal nicht abgeschlossen, und somit werden die
Kernbereiche der Kohlenstoffasern nicht zu Siliciumcarbid
umgewandelt. Wenn die Reaktionsdauer länger als 20 Stunden ist,
wachsen die resultierenden feinen Siliciumcarbidpartikel
manchmal übermäßig, und die resultierenden
Siliciumcarbidfasern zeigen eine verringerte mechanische Festigkeit und
brechen somit leicht.
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Als ein Verfahren, um das Siliciummonoxidgas mit den
porösen Kohlenstoffasern in Kontakt zu bringen, wird das
Siliciummonoxidgas aus dem oben erwähnten, das
Siliciummonoxidgas erzeugenden Material, welches in den Heizofen
gegeben wird, erzeugt und dann in einen Reaktionsofen
eingeführt, in welchen die porösen Kohlenstoffasern gegeben
wurden, um so die Reaktion der porösen Kohlenstoffasern mit
dem Siliciummonoxidgas zu bewirken. In einem anderen
Verfahren werden das das Siliciummonoxidgas erzeugende
Material und die porösen Kohlenstoffasern in einen Reaktionsofen
eingeführt und bei der Reaktionstemperatur erwärmt, um so
gleichzeitig die Erzeugung des Siliciummonoxidgases und die
Reaktion der porösen Kohlenstoffasern mit diesem zu
bewirken.
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Bei dem letzteren Verfahren, in welchem die porösen
Kohlenstoffasern zusammen mit dem das Siliciummonoxidgas
erzeugenden Material in ein und denselben Ofen gegeben
werden, liegt, um die Konzentration des Siliciummonoxidgases
in der Atmosphäre, welche die porösen Kohlenstoffasern
umgibt, hoch zu machen, das das Siliciummonoxidgas
erzeugende Material vorzugsweise in Form von Partikeln oder
Körnchen vor und ist in einer überschüssigen Menge von 2-
bis 30-mal dem Gewicht der porösen Kohlenstoffasern
vorhanden. Ebenso werden in dem Reaktionsofen die porösen
Kohlenstoffasern so nahe wie möglich an den Partikeln oder
Körnchen des das Siliciummonoxidgas erzeugenden Materials
angeordnet, und auf die Innenseite des Reaktionsofens wird ein
Vakuum angelegt, unter einem Druck, der so niedrig ist wie
möglich, von 10 Pa oder weniger, und das Reaktionssystem
wird auf eine Temperatur von 800ºC bis 1400ºC, vorzugsweise
1.000ºC bis 1.400ºC erwärmt. Bei diesem Verfahren ist, um
den Kontakt der porösen Kohlenstoffasern mit einer hohen
Konzentration des Siliciummonoxidgases für eine lange Zeit
beizubehalten, die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit für
die Erzeugung des Siliciummonoxidgases vorzugsweise so
niedrig wie möglich, z. B. 50 bis 1.500ºC/h, bevorzugter 200
bis 1.000ºC/h, und die Reaktionsdauer bei der gewünschten
Reaktionstemperatur beträgt vorzugsweise eine Minute bis 20
Stunden, bevorzugter 30 Minuten bis 10 Stunden.
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Um die Siliciumcarbidfasern mit einer hohen
mechanischen Festigkeit herzustellen, ist es bevorzugt, daß die
porösen Kohlenstoffasern während der Reaktion der porösen
Kohlenstoffasern mit dem Siliciummonoxidgas in einem
gespannten Zustand gehalten werden müssen. Zu diesem Zweck
werden die porösen Kohlenstoffasern vorzugsweise gestreckt,
und die Enden der Fasern werden fixiert, indem ein
Klebstoff verwendet wird oder indem diese mit Gewichten
verbunden werden. Andernfalls wird ein Ende eines
kontinuierlichen Kohlenstoffilaments an einer Grundfläche durch einen
Klebstoff fixiert und das andere Ende wird mit einem
Gewicht verbunden, und die Filamente werden vertikal nach
unten aufgehängt.
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Die Siliciumkohlenstoffasern, die gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, weisen
glatte Oberflächen und, selbst in ihren Kernbereichen, eine
dichte Siliciumcarbidstruktur auf. Demgemäß tritt, selbst
wenn diese bei einer Temperatur von 800ºC bis 1500ºC in
einer oxidativen Atmosphäre wärmebehandelt werden, im
wesentlichen keine Verringerung des Gewichts und der
mechanischen Festigkeit der Siliciumcarbidfasern auf.
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Die Siliciumcarbidfasern, welche durch das Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, können als
einen Nebenbestandteil eine kleine Menge, z. B. 1 bis 10%
bezogen auf das Gesamtgewicht der Fasern, an Siliciumdioxid
und/oder Kohlenstoff enthalten.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung werden die Siliciumcarbidfasern hergestellt,
indem poröse Kohlenstoffasern mit einem spezifischen
Oberflächenbereich von 100 bis 2.500 m²/g mit einem
Siliciummonoxidgas bei einer Temperatur von 800ºC bis 1400ºC
umgesetzt werden; und dann die resultierenden
Siliciumcarbidfasern bei einer Temperatur von 800ºC bis 1500ºC in einer
Gasatmosphäre, die ein oxidatives Gas enthält,
wärmebehandelt werden.
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Die Wärmebehandlung wird nebenbei auf die
Siliciumcarbidfasern angewendet, um ihre mechanische Festigkeit zu
erhöhen. Die Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur von
800ºC bis 1500ºC, vorzugsweise 1.000ºC bis 1.400ºC
durchgeführt. Wenn die Temperatur der Wärmebehandlung weniger als
800ºC beträgt, ist die resultierende, die mechanische
Festigkeit erhöhende Wirkung manchmal nicht
zufriedenstellend. Ebenso werden, wenn die Wärmebehandlungstemperatur
höher als 1500ºC ist, manchmal die konstitutionellen
Bestandteile der Fasern thermisch zersetzt oder unerwünscht
kristallisiert, und somit bewirkt dieses Phänomen, daß die
mechanische Festigkeit der Fasern verringert wird.
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Die Wärmebehandlungsatmosphäre ist nicht auf einen
bestimmten Typ von Atmosphäre beschränkt. Gewöhnlich umfaßt
die Wärmebehandlungsatmosphäre Gasatmosphären und -ströme,
welche wenigstens 1 ppm eines Sauerstoffgases oder eines
Gases einer sauerstofferzeugenden Verbindung enthalten,
welches bei einer hohen Temperatur molekularen Sauerstoff
erzeugt, gemischt mit einem inerten Gas, z. B. einem Argon-
oder Stickstoffgas. Die Wärmebehandlung kann in der Luft
bewirkt werden. Bei einer anderen Ausführungsform besteht
die Wärmebehandlungsgasatmosphäre allein aus Sauerstoffgas
in einer Menge von, in Bezug auf den Druck, 10&supmin;³ Pa oder
mehr.
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Die Wärmebehandlungsdauer liegt gewöhnlich in dem
Bereich von einer Sekunde bis zu 10 Stunden, vorzugsweise
von einer Minute bis zu 60 Minuten. Wenn die
Wärmebehandlungsdauer übermäßig kurz ist, wird die Wärme nicht
zufriedenstellend auf die Siliciumcarbidfasern übertragen, so daß
die Temperatur der Fasern nicht auf ein zufriedenstellendes
Niveau angehoben werden kann, und somit ist die
resultierende Wirkung der Wärmebehandlung nicht zufriedenstellend.
Ebenso wird, wenn die Wärmebehandlungsdauer übermäßig lang
ist, nicht nur die Herstellbarkeit des Produkts verringert,
sondern die Siliciumcarbidpartikel werden ebenfalls
kristallisiert und die Kristalle wachsen, so daß die
mechanische Festigkeit der Siliciumcarbidfasern verringert wird.
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Die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit bei der
Wärmebehandlung ist nicht auf ein bestimmtes Niveau beschränkt.
Gewöhnlich wird die Temperatur des Wärmebehandlungssystems
mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 120.000ºC/h
angehoben. Die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit der
Wärmebehandlung ist vorzugsweise so hoch wie möglich, solange wie die
Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur nicht zu einem
Hitzschlag bei dem Heizofen führt, in welchem die
Wärmebehandlung durchgeführt wird. Wenn die
Temperaturanstiegsgeschwindigkeit übermäßig niedrig ist, ist eine zu lange Zeit
notwendig, um die Temperatur des Wärmebehandlungssystems
auf das gewünschte Niveau anzuheben, und somit werden die
Siliciumcarbidfasern für eine lange Zeit einer hohen
Temperatur, die nahe an der gewünschten
Wärmebehandlungstempera
tur liegt, ausgesetzt. Daher zeigen die resultierenden
wärmebehandelten Fasern eine nicht zufriedenstellende
mechanische Festigkeit. In einer Ausführungsform des
Wärmebehandlungsvorgangs wird die Temperatur auf der Innenseite des
Wärmebehandlungsofens auf ein gewünschtes Niveau
eingestellt, und dann werden die Siliciumcarbidfasern in den
Ofen eingeführt und darin für die notwendige Zeit
wärmebehandelt.
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Der Wärmebehandlungsofen kann ausgewählt werden aus den
Öfen, die für das Siliciumcarbidfasern erzeugende
Verfahren, wie es oben erwähnt wurde, verwendbar sind. Alternativ
kann eine Infrarotstrahlen-Heizvorrichtung für die
Wärmebehandlung verwendet werden, in welcher die Temperatur der
Siliciumcarbidfasern mit einer sehr hohen Geschwindigkeit
auf das gewünschte Niveau angehoben werden kann. Ebenso
kann die Wärmebehandlung bewirkt werden, indem eine
Vorrichtung, welche eine Flamme benutzt, eingesetzt wird.
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Die Wärmebehandlung kann auf die Siliciumcarbidfasern
angewendet werden, ohne eine Spannung an diese anzulegen.
Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung durchgeführt, während
die Siliciumcarbidfasern gespannt sind, indem ein
geeignetes Spannwerkzeug oder Gewichte verwendet werden.
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In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung liegen die porösen Kohlenstoffasern
oder -filamente mit einem spezifischen Oberflächenbereich
von 100 bis 3.000 m²/g in der Form eines Blattes, z. B.
eines gewebten Stoffes, eines gestrickten Stoffes, eines
nichtgewebten Stoffes oder eines Filzes vor, dann wird das
resultierende Blatt aus porösen Kohlenstoffasern
(Filamenten) bei einer Temperatur von 800ºC bis 1400ºC unter einem
verminderten Druck mit einem Siliciummonoxidgas umgesetzt.
Wahlweise wird das resultierende Siliciumcarbidfaser
(filament)-Blatt bei einer Temperatur von 800ºC bis 1500ºC
in einer Gasatmosphäre, die ein oxidatives Gas enthält,
wärmebehandelt.
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Das poröse Kohlenstoffaserblatt kann zur Verfügung
gestellt werden, indem organische Fasern (Filamente) zu
einem Blatt, z. B. einem gewebten Stoff, einem gestrickten
Stoff, einem nichtgewebten Stoff oder einem Filz geformt
werden, und die organischen Fasern (Filamente) in dem Blatt
zu porösen Kohlenstoffasern umgewandelt werden; oder indem
poröse Kohlenstoff-Multifilamentgarne oder aus porösen
Kohlenstoffasern gesponnene Garne zur Verfügung gestellt
werden, und die Garne zu einem Stoff gewebt oder gestrickt
werden, oder indem ein nichtgewebter Stoff aus den porösen
Kohlenstoffasern über ein Trockenblattbildungsverfahren
oder ein Naßblattbildungsverfahren gebildet wird.
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Vorzugsweise enthält das Blatt die porösen
Kohlenstoffasern oder -filamente in einer Menge von 10% bis 100%,
bevorzugter von 50 bis 100%, bezogen auf das Gesamtgewicht
des Blattes. Wenn der Gehalt an porösen Kohlenstoffasern
oder -filamenten weniger als 10 Gew.-% beträgt, wird es
schwierig, ein resultierendes siliciumcarbidfaserhaltiges
Blatt zu erhalten, das die erwartete [nicht]
zufriedenstellende Leistungsfähigkeit aufweist.
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Bei der Herstellung des porösen Kohlenstoffaserblattes
wird beispielsweise ein Blatt, das organische Fasern
enthält, die in der Lage sind, carbonisiert zu werden, in
einer oxidativen Gasatmosphäre bei einer Temperatur von
200ºC bis 400ºC wärmebehandelt, um die Fasern unschmelzbar
zu machen, in einem inerten Gas bei 450ºC bis 1.000ºC
carbonisiert und dann mit Wasserdampf bei einer Temperatur von
800ºC bis 1.200ºC aktiviert.
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Die porösen Kohlenstoffasern in dem Blatt werden gemäß
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zu
Siliciumcarbidfasern umgewandelt, und dann werden wahlweise die
resultie
renden Siliciumcarbidfasern auf die oben erwähnte Weise
wärmebehandelt. Wenn das Blatt Fasern außer den
Siliciumcarbidfasern enthält, können die anderen Fasern ausgewählt
werden aus anorganischen Fasern, z. B. Aluminiumoxid-,
Mullit-, Zirkoniumoxid-, Glas-, Siliciumnitrid- und
metallischen Fasern.
BEISPIELE
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Die vorliegende Erfindung wird weiter mittels der
folgenden speziellen Beispiele erklärt, welche lediglich zur
Veranschaulichung dienen und den Umfang der vorliegenden
Erfindung in keiner Weise beschränken.
Beispiel 1
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Aktivierte poröse Kohlenstoffasern wurden hergestellt,
indem Kohlenstoffasern aktiviert wurden, die aus
Phenolharzfasern hergestellt wurden. Die aktivieren
Kohlenstoffasern wiesen einen Filamentdurchmesser von 10 um,
einen spezifischen Oberflächenbereich von 1.500 m²/g und
eine Filamentlänge von 100 mm auf.
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Ein Bündel bestehend aus den porösen Kohlenstoffasern
in einer Menge von 0,1 g wurde auf eine Schicht bestehend
aus 2 g eines Siliciummonoxidpulvers mit einer
Partikelgröße von 5 bis 50 um gegeben, und das Faserbündel wurde
gespannt und auf der Siliciummonoxidpulverschicht fixiert,
indem Gewichte mit den Enden des Faserbündels verbunden
wurden.
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Das resultierende Reaktionssystem des porösen
Kohlenstoffaserbündels mit der Siliciummonoxidpulverschicht wurde
in einen röhrenförmigen Kohleofen vom Innenheiztyp gegeben.
Der Druck in dem Ofen wurde auf 1 Pa verringert, und die
Temperatur des Reaktionssystems wurde mit einer
Geschwindigkeit von 3.000ºC/h auf ein Niveau von 1.000ºC und dann
mit einer Geschwindigkeit von 200ºC/h auf ein Niveau von
1.200ºC angehoben. Dann wurde die Temperatur des
Reaktionssystems für eine Stunde bei einem Niveau von 1.200ºC
gehalten, um ein Siliciummonoxidgas zu erzeugen und um die
porösen Kohlenstoffasern in dem Ofen in Silciumcarbidfasern
umzuwandeln. Dann wurde das resultierende Reaktionsprodukt
bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 200ºC/h abgekühlt,
bis eine Temperatur von 1.000ºC erreicht war, und dann auf
natürliche Weise auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Die resultierenden Fasern wurden einer
Infrarotabsorptions-Spektralanalyse durch ein
Kaliumbromid-Tablettenverfahren unterzogen. Als Ergebnis wurde ein Absorptionspeak
aufgrund von Siliciumcarbid bei ca. 900 cm&supmin;¹ gefunden. Auch
wurden die resultierenden Fasern einer
Röntgenstrahlen-Beugungsmessung unterzogen, um einen Beugungswinkel der
Kristalle in den resultierenden Siliciumcarbidfasern zu
messen. Bei der Beugungsmessung wurde ein gradueller Peak bei
ca. CuKα 2θ = 35,7 Winkelgrad gefunden. Durch die oben
erwähnten Ergebnissen wurde bestätigt, daß die
resultierenden Fasern feine kristalline Siliciumcarbidfasern waren.
-
Weiterhin wurden die resultierenden
Siliciumcarbidfasern bei einer Temperatur von 1.000ºC für eine Stunde in
einer oxidativen Atmosphäre wärmebehandelt. Es wurde
gefunden, daß keine Verringerung des Gewichts auftrat. Durch
diese Tatsache wurde bestätigt, daß die resultierenden
Siliciumcarbidfasern im wesentlichen keinen Kohlenstoff
enthielten und selbst in ihren Kernbereichen vollständig
aus Siliciumcarbid bestanden.
-
Die Bündel bestehend aus 100 bis 300
Siliciumcarbidfasern, wie sie oben erwähnt wurden, wurden einer Messung
ihrer Zugfestigkeit bei einer Streckgeschwindigkeit von 2
mm/min unterzogen. Die Messung wurde 10-mal wiederholt, und
es wurde ein Durchschnitt der Zugfestigkeit der Fasern
berechnet. Bei den Ergebnissen wiesen die
Siliciumcarbidfa
sern eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 1.100 MPa und
ein durchschnittliches Elastizitätsmodul von 120 GPa auf.
Beispiel 2
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In einem Ofen des Außenheiztyps wurden 5 g feines
Siliciummonoxidpulver mit einer Partikelgröße von 5 bis 50
um unter einem Druck von 10 Pa bei einer
Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 3.000ºC/h bis 1.000ºC und dann
bei einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 1.000ºC/h
bis zu einer Temperatur von 1.500ºC erwärmt, um ein
Siliciummonoxidgas zu erzeugen.
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Getrennt davon wurden aktivierte poröse
Kohlenstoffasern mit einem Faserdurchmesser von 10 um, einem
spezifischen Oberflächenbereich von 1.500 m²/g und einer Länge von
500 mm hergestellt, indem Phenolharzfasern carbonisiert
wurden und die carbonisierten Fasern dann aktiviert wurden.
Ein Bündel der aktivierten porösen Kohlenstoffasern in
einer Menge von 0,5 g wurde auf eine solche Weise in einen
röhrenförmigen Heizofen gegeben, daß ein oberes Ende des
Bündels in dem Ofen fixiert wurde und ein unteres Ende des
Bündels mit einem Gewicht verbunden wurde, so daß das
Bündel aus aktivierten porösen Kohlenstoffasern in vertikaler
Richtung gespannt wurde. Die Innenseite des Ofens wurde auf
einen verminderten Druck von 10&supmin;² Pa evakuiert und auf eine
Temperatur von 1.000ºC erwärmt. Das erzeugte
Siliciummonoxidgas wurde in den Innenraum des Ofens eingeführt, dann
wurde die Temperatur des Reaktionssystems in dem Ofen bei
einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 200ºC/h auf
1.200ºC erhöht, und dann wurde die Temperatur für eine
Stunde bei 1.200ºC gehalten, um das Reaktionssystem zu
beheizen. Dann wurde das Reaktionssystem in dem Ofen bei
einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 200ºC/h auf 1.000ºC
abgekühlt und dann auf natürliche Weise auf Raumtemperatur
abgekühlt. Bis die Reaktion zur Herstellung der
Siliciumcarbidfasern in dem Heizofen abgeschlossen war, wurde das
feine Siliciummonoxidpulver kontinuierlich erwärmt, um das
Siliciummonoxidgas zu erzeugen, um das Siliciummonoxidgas
kontinuierlich in den Heizofen zuzuführen. Nachdem die
Reaktion abgeschlossen war, wurde das verbleibende feine
Siliciummonoxidpulver auf natürliche Weise abkühlen
gelassen.
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Die resultierenden Siliciumcarbidfasern wurden einer
Infrarotstrahlenabsorptions-Spektralanalyse durch das
Kaliumbromid-Tablettenverfahren unterzogen. Als Ergebnis wurde
ein Absorptionspeak, der von Siliciumcarbid stammte, bei
ca. 900 cm&supmin;¹ gefunden. Auch wurden die Fasern einer
Röntgenstrahlen-Beugungsmessung unterzogen, um einen
Beugungswinkel aufgrund von Siliciumcarbidkristallen in den Fasern
zu messen. Bei dieser Messung wurde ein gradueller Peak bei
ca. CuKα 2θ = 35,7 Winkelgrad gefunden. Durch diese
Tatsache wurde bestätigt, daß die resultierenden Fasern feine
kristalline Siliciumcarbidfasern waren.
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Wenn die Fasern in einer oxidativen Atmosphäre bei
einer Temperatur von 1.000ºC für eine Stunde erwärmt
wurden, wurde eine Gewichtsreduktion von ca. 10% gefunden.
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Die Bündel bestehend aus 100 bis 300
Siliciumcarbidfasern wurden einer Messung ihrer Zugfestigkeit bei einer
Streckgeschwindigkeit von 2 mm/min unterzogen. Die Messung
wurde 10-mal wiederholt, und es wurde eine
durchschnittliche Zugfestigkeit der Fasern berechnet. Es wurde gefunden,
daß die resultierenden Siliciumcarbidfasern eine
durchschnittliche Zugfestigkeit von 1.400 MPa und ein
durchschnittliches Elastizitätsmodul von 150 GPa aufwiesen.
Vergleichsbeispiel 1
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Siliciumcarbid-Vergleichsfasern wurden durch dieselben
Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit den folgenden
Ausnahmen.
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Die aktivierten porösen Kohlenstoffasern, die aus den
Phenolharzfasern hergestellt wurden, wurden durch nicht-
aktivierte Kohlenstoffasern ersetzt, die aus den
Phenolharzfasern hergestellt wurden.
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Wenn die resultierenden Fasern der
Infrarotstrahlenabsorptions-Spektralanalyse durch das
Kaliumbromid-Tablettenverfahren unterzogen wurden, wurde eine Absorption bei ca.
900 cm&supmin;¹ gefunden, und das Vorliegen von Siliciumcarbid in
den resultierenden Fasern wurde bestätigt. Wenn die Fasern
in einer oxidativen Atmosphäre bei einer Temperatur von
1.000ºC für eine Stunde erwärmt wurden, trat jedoch eine
Gewichtsverringerung von 95% der Fasern auf. Weiterhin
wurde, wenn die Faser durch ein Rasterelektronenmikroskop
beobachtet wurde, gefunden, daß die Faser eine dünne
Siliciumcarbidschicht aufwies, die nur auf einem
Oberflächenbereich der Faser gebildet war, und der Kernbereich der Faser
aus Kohlenstoff bestand. Es wurde so bestätigt, daß der
Kernbereich der nicht-aktivierten (nicht-porösen)
Kohlenstoffaser nie zu Siliciumcarbid umgewandelt wurde.
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Wie der Vergleich von Beispiel 1 mit Vergleichsbeispiel
1 deutlich zeigt, ermöglicht die Verwendung von Fasern aus
einem porösen Kohlenstoff, wenn das Siliciummonoxidgas
zugeführt wird, um eine Reaktion mit den Kohlenstoffasern
zu begründen, wirksam, daß die Kohlenstoffasern vollständig
zu dichten Siliciumcarbidfasern umgewandelt werden.
Vergleichsbeispiele 2 und 3
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In jedem der Vergleichsbeispiele 2 und 3 wurden
Siliciumcarbid-Vergleichsfasern durch dieselben Verfahren wie in
Beispiel 1 hergestellt, mit den folgenden Ausnahmen.
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Die Beheizungs(Reaktions)-Temperatur betrug in
Vergleichsbeispiel 2 600ºC und in Vergleichsbeispiel 3
2, 100ºC.
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Die resultierenden Fasern wurden der
Infrarotstrahlenabsorptions-Spektralanalyse durch das
Kaliumbromid-Tablettenverfahren unterzogen.
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In Vergleichsbeispiel 2 (Reaktionstemperatur: 600ºC)
wurde keine Absorption bei ungefähr 900 cm&supmin;¹ gefunden, und
somit wurde kein Vorliegen von Siliciumcarbid in den
resultierenden Fasern gefunden.
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In Vergleichsbeispiel 3 (Reaktionstemperatur: 2.100ºC)
wurde ein Absorptionspeak bei ca. 900 cm&supmin;¹ gefunden und
somit wurde das Vorliegen von Siliciumcarbid in den
resultierenden Fasern bestätigt. Wenn die resultierenden Fasern
der Röntgenstrahlen-Beugungsanalyse unterzogen wurden, um
den Beugungswinkel der Kristalle in den Fasern zu messen,
wurde ein scharfer Peak bei ca. CuKα 2θ = 35,7 gefunden.
Durch diese Tatsache wurde bestätigt, daß die
resultierenden Fasern kristalline Siliciumcarbidfasern waren, in
welchen die Kristalle signifikant gewachsen waren.
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Auch wurden die resultierenden Fasern aus den
Vergleichsbeispielen 2 und 3 in einer oxidativen Atmosphäre
bei einer Temperatur von 1.000ºC für eine Stunde erwärmt.
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In Vergleichsbeispiel 2 waren die Fasern
(Reaktionstemperatur: 600ºC) vollständig abgebrannt, und es wurde
kein Verbrennungsrückstand gefunden. In Vergleichsbeispiel
3 (Reaktionstemperatur: 2.100ºC) trat keine
Gewichtsreduktion der Fasern auf. Durch diese Tatsache wurde bestätigt,
daß die Fasern selbst in ihren Kernbereichen vollständig
aus Siliciumcarbid bestanden.
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Bündel bestehend aus 100 bis 300 Siliciumcarbidfasern
aus Vergleichsbeispiel 3 wurden einem Zugtest(gerät) bei
einer Streckgeschwindigkeit von 2 mm/min unterzogen. Die
Zugfestigkeit der Bündel konnte aufgrund eines leichten
Brechens der Bündel nicht bestimmt werden.
Beispiel 3
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Poröse Kohlenstoffasern wurden hergestellt, indem
Phenolharzfasern carbonisiert wurden, und dann aktiviert, um
aktivierte poröse Kohlenstoffasern mit einem
Faserdurchmesser von 10 um, einem spezifischen Oberflächenbereich von
1.500 m²/g und einer Faserlänge von 100 mm zur Verfügung zu
stellen,
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Ein Bündel bestehend aus 0,1 g der aktivierten porösen
Kohlenstoffaser wurde auf eine Schicht bestehend aus 2 g
von Siliciummonoxidpartikeln, die im Handel erhältlich
waren, gegeben, und unter einer Last von 5 g gespannt.
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Die Kombination aus dem gespannten porösen
Kohlenstoffaserbündel mit den Siliciummonoxidpartikeln wurde in
ein aus Aluminiumoxid gefertigtes Kernrohr in einem
röhrenförmigen Heizofen gegeben. Der Druck auf der Innenseite des
Ofens wurde auf 1 Pa verringert, und die Temperatur des
Ofens wurde bei einer Anstiegsgeschwindigkeit von 3.000
ºC/h auf 1.000ºC, dann bei einer Anstiegsgeschwindigkeit
von 1.200ºC/h auf 1.300ºC erhöht. Die Ofentemperatur wurde
für 2 Stunden bei 1.300ºC gehalten, um zu bewirken, daß die
Kohlenstoffasern mit dem Siliciummonoxidgas reagierten, und
dann wurde der Ofen auf natürliche Weise auf Raumtemperatur
abgekühlt.
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Die resultierenden Siliciumcarbidfasern wiesen eine
Zugfestigkeit von 1.100 MPa auf, wie gemäß dem Japanischen
Industriestandard (JIS) R 7601 bestimmt wurde.
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Dann wurden die resultierenden Fasern unter Spannung in
einen Ofen gegeben, der bei einer Temperatur von 1.300ºC
gehalten wurde, und für 15 Minuten in der atmosphärischen.
Luft wärmebehandelt.
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Die resultierenden wärmebehandelten Fasern wiesen eine
Zugfestigkeit von 1.600 MPa auf, wie gemäß JIS R 7601
bestimmt wurde.
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Zum Vergleich wurde dieselbe Wärmebehandlung, wie sie
oben erwähnt wurde, auf dieselben Siliciumcarbidfasern, wie
sie oben erwähnt wurden, angewendet, außer daß die
Wärmebehandlung in dem Ofen bei einer Temperatur von 600ºC in der
atmosphärischen Luft durchgeführt wurde. Die
wärmebehandelten Vergleichsfasern zeigten eine Zugfestigkeit von 1.100
MPa, welche durch JIS R 7601 bestimmt wurde.
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Für einen weiteren Vergleich wurde dieselbe
Wärmebehandlung wie in Beispiel 3 für 15 Minuten in dem Ofen auf
dieselben Siliciumcarbidfasern, wie sie oben erwähnt
wurden, angewendet, außer daß ein inertes Gas bestehend aus
Argon mit einer Fließgeschwindigkeit von 500 ml/min durch
den Ofen fließen gelassen wurde, während die Ofentemperatur
auf einem Niveau von 1.300ºC gehalten wurde.
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Die resultierenden wärmebehandelter,
Siliciumcarbid-Vergleichsfasern wiesen eine Zugfestigkeit von 900 MPa auf,
welche durch JIS R 7601 bestimmt wurde.
Beispiel 4
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Siliciumcarbidfasern wurden durch dieselben Verfahren
wie in Beispiel 3 hergestellt, mit den folgenden Ausnahmen.
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Die Wärmebehandlung für die Siliciumcarbidfasern wurde
für 15 Minuten in einen Ofen durchgeführt, welcher auf eine
Temperatur von 1.300ºC reguliert war, während ein
gemisch
tes Gas bestehend aus 50 Vol.-% Stickstoff und 50 Vol.-%
Sauerstoff durch den Ofen fließen gelassen wurde.
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Die resultierenden wärmebehandelten
Siliciumcarbidfasern wiesen eine Zugfestigkeit von 1.800 MPa auf, welche
durch JIS R 7601 bestimmt wurde.
Beispiel 5
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Ein Stoff aus porösen Kohlenstoffilamenten mit einem
Flächengewicht von 180 g/m², einer Dicke von 0,7 mm, einer
Breite von 30 mm und einer Länge von 30 mm bestand aus
porösen Kohlenstoffilamenten mit einem spezifischen
Oberflächenbereich von 1.500 m²/g und einem Durchmesser von 10
um. Die porösen Kohlenstoffilamente wurden durch ein
Carbonisieren von Phenolharzfasern und ein Aktivieren der
resultierenden Kohlenstoffilamente mit Wasserdampf hergestellt.
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Siliciummonoxidpartikel in einer Menge von 5 g wurden
auf eine Aluminiumoxidplatte gegeben, und die 0,16 g Stoff
aus porösen Kohlenstoffilamenten wurden über die Schicht
der Siliciummonoxidpartikel gelegt und dann mit einer
Aluminiumoxid-Deckplatte abgedeckt. Diese Kombination wurde in
ein Kernrohr mit einem Durchmesser von 50 mm und gefertigt
aus Aluminiumoxid in einem röhrenförmigen Heizofen gegeben.
Der Innendruck des Ofens wurde auf 1 Pa verringert. Dann
wurde die Innentemperatur des Ofens bei einer
Anstiegsgeschwindigkeit von 1.000ºC/h auf 1.000ºC und dann bei einer
Anstiegsgeschwindigkeit von 300 00/h auf 1.300ºC erhöht,
dann für 2 Stunden auf dem Niveau von 1.300ºC gehalten, um
zu bewirken, daß die porösen Kohlenstoffilamente mit dem
Siliciummonoxidgas reagierten, das aus den
Siliciummonoxidpartikeln erzeugt wurde. Der Ofen wurde auf natürliche
Weise bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 300ºC/h auf
Raumtemperatur abgekühlt.
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Der resultierende Filamentstoff wurde einer
Infrarotstrahlenabsorptions-Spektralanalyse durch ein Kaliumbromid-
Tablettenverfahren unterzogen. Als Ergebnis wurde ein
Absorptionspeak, welcher Siliciumcarbid entsprach, bei ca.
900 cm&supmin;¹ gefunden. Ebenfalls wurde bei einer
Röntgenstrahlen-Beugungsmessung zum Messen des Beugungswinkels der
Kristalle in den Filamenten ein Peak bei CuKα 2θ = 35,7 Grad
gefunden. Durch dieses Ergebnis wurde bestätigt, daß der
Stoff aus kristallinen Siliciumcarbidfilamenten bestand.
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Das Blatt wurde für eine Stunde in der Luft bei einer
Temperatur von 1.000ºC erwärmt. Es wurde keine Verringerung
bei dem Gewicht des Blattes gefunden.
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Ebenso wies das Blatt ein Flächengewicht von 270 g/m²,
eine Dicke von 0,7 mm, eine Breite von 30 mm und eine Länge
von 30 mm auf und zeigte eine Zugfestigkeit von 30 kg/30
mm.
Beispiel 6
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Siliciummonoxidpartikel in einer Menge von 5 g wurden
auf eine Aluminiumoxidplatte gegeben, und 0,05 g eines
Filzes aus porösen Kohlenstoffasern mit einem Flächengewicht
von 60 g/m², einer Dicke von 4 mm, einer Breite von 30 mm
und einer Länge von 30 mm wurden auf die Schicht der
Siliciummonoxidpartikel gegeben und durch eine Aluminiumoxid-
Deckplatte abgedeckt. Die porösen Kohlenstoffasern wurden
aus Polyacrylnitrilfasern hergestellt.
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Die Kombination aus der Aluminiumoxid-Grundplatte, der
Schicht der Siliciummonoxidpartikel, dem Filz aus porösen
Kohlenstoffasern und der Aluminiumoxid-Deckplatte wurde in
ein Aluminiumoxid-Kernrohr mit einem Durchmesser von 50 mm
in einem röhrenförmigen Heizofen gegeben und auf dieselbe
Weise wie in Beispiel 5 beheizt.
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Als Ergebnis der
Infrarotstrahlenabsorptions-Spektralanalyse und der Röntgenstrahlen-Beugungsmessung wurde
bestätigt, daß der gebrannte Filz aus Siliciumcarbidfasern
bestand. Ebenso wurde bestätigt, daß eine Wärmebehandlung,
welche auf den resultierenden Filz in der Luft bei einer
Temperatur von 1.000ºC für eine Stunde angewendet wurde,
keine Verringerung bei dem Gewicht des Filzes bewirkte.
Beispiel 7
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Dasselbe Siliciumcarbidfilamentblatt wie in Beispiel 5
wurde in der Luftatmosphäre in dem Heizofen bei einer
Temperatur von 1.300ºC für 15 Minuten wärmebehandelt. Der
resultierende wärmebehandelte Filamentstoff wies eine
erhöhte Zugfestigkeit von 50 kg/30 mm auf.
Vergleichsbeispiel 4
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Dieselben Verfahren wie in Beispiel 5 wurden
durchgeführt, außer daß der Stoff aus den porösen
Kohlenstoffilamenten durch einen Stoff aus nicht-porösen
Kohlenstoffilamenten ersetzt wurde, welcher ein Flächengewicht von 120
g/m², eine Dicke von 0,5 mm, eine Breite von 30 mm und eine
Länge von 30 mm aufwies. Als Ergebnis der oben erwähnten
Analyse wurde gefunden, daß der resultierende Filamentstoff
eine kleine Menge an Siliciumcarbid enthielt. Wenn jedoch
der resultierende Stoff in der Luftatmosphäre bei einer
Temperatur von 1.000ºC für eine Stunde wärmebehandelt
wurde, trat eine Gewichtsverringerung von 97% auf und die
ursprüngliche Form des Stoffes verschwand.
Vergleichsbeispiel 5
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Dieselben Verfahren wie in Beispiel 5 wurden
durchgeführt, mit den folgenden Ausnahmen. Die
Siliciummonoxidpartikel wurden durch Siliciumpartikel ersetzt. Nachdem die
Materialien in das Kernrohr in dem Heizofen gegeben wurden,
wurde der Innendruck des Ofens auf 1 Pa verringert, und die
Temperatur des Ofens wurde bei einer
Anstiegsgeschwindigkeit von 1.000ºC/h auf 1.000ºC und dann bei einer
Anstiegsgeschwindigkeit von 400ºC/h auf 1.400ºC erhöht. In
dem Ofen wurde das Beheizen der Materialien für 2 Stunden
bei 1.400ºC durchgeführt, und dann wurde der Ofen auf
natürliche Weise bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von
300ºC/h auf Raumtemperatur abgekühlt. Die resultierende
gebrannte Stoffoberfläche erschien in der Farbe bläulich
grau und somit wurde angenommen, daß ein gewisser Typ von
Reaktion auf der Oberfläche des Kohlenstoffilamentstoffes
aufgetreten war. Es wurde jedoch gefunden, daß die
Kernbereiche der gebrannten Filamente immer noch schwarz in der
Farbe waren und somit die Reaktion in den Kernbereichen
nicht aufgetreten war.
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Als Ergebnis der Analyse wurde bestätigt, daß der
aufgeheizte Kohlenstoffilamentstoff eine kleine Menge an
Siliciumcarbid enthielt. Wenn dieser in der Luftatmosphäre bei
einer Temperatur von 1.000ºC für eine Stunde wärmebehandelt
wurde, betrug die Gewichtsverringerung des Stoffes 99% und
die ursprüngliche Form des Stoffes verschwand.
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Durch die oben erwähnten Beispielen 5 bis 7 wurde
bestätigt, daß ein dichtes Siliciumcarbidfaser(filament)-
Blatt (Stoff oder Filz) hergestellt werden kann, ohne ein
Bindemittel für die Fasern (Filamente) einzusetzen.