DE69419159T3

DE69419159T3 - Verfahren zur schnellverdichtung einer porösen struktur

Info

Publication number: DE69419159T3
Application number: DE69419159T
Authority: DE
Inventors: Ilan Parsippany GOLECKI; Robert C. Ledgewood MORRIS; Dave Flemington NARASIMHAN
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2014-08-11
Also published as: EP0713538A1; EP0713538B1; DE69419159D1; US5348774A; CA2167699A1; JPH09501394A; WO1995004841A1; ATE181373T1; JP3672563B2; EP0713538B2; DE69419159T2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Verdichtung und Infiltration von porösen Gefügen, insbesondere Kohlenstoff-Kohlenstoff, durch chemische Gasphasenabscheidung und -infiltration (CVD, CVI) bei der Hierstellung von Bremsbelägen für Flugzeuge.
Hintergrund der Erfindung
Verbundwerkstoffe, wie z. B. Kohlenstoff-Kohlenstoff, bieten bezüglich ihres geringen Gewichts und ihrer guten mechanischen Eigenschaften Vorteile auf verschiedensten Anwendungsgebieten, u. a. in der Luft- und Raumfahrt, wie z. B. bei Bremsbelägen und ungekühlten Motor- und anderen Flugzeugteilen. Bei einem der gängigsten Fertigungsverfahren für derartige Verbundwerkstoffgefüge wird ein poröser Körper, der in etwa die gewünschte Form besitzt, mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) und chemischer Gasphaseninfiltration (CVI) verdichtet. Dabei leitet man einen Strom von das gewünschte Element bzw. die gewünschte Verbindung enthaltendem Gas über und um das zu verdichtende Teil, welches dabei bei einer zur Zersetzung des Vorläufergases ausreichenden Temperatur gehalten wird. Unter den entsprechenden Bedingungen zersetzt sich der Vorläufer so, daß das gewünschte Element bzw. die gewünschte Verbindung in den Poren des Teils erzeugt wird, wodurch dessen Dichte erhöht wird.
Die Verdichtungsrate nimmt in der Regel mit steigendem Vorläufer-Partialdruck und steigender Substrattemperatur zu. Aus praktischen Gründen ist es wünschenswert, die Verarbeitungszeit so weit wie möglich zu verkürzen bzw. die Verdichtungsrate so weit wie möglich zu erhöhen, was auf das Gleiche hinausläuft. Andererseits variieren die mikroskopische Struktur und die entsprechenden makroskopischen Eigenschaften des verdichteten Materials, wie z. B. Reibung und Verschleißrate, mit der Zersetzungstemperatur und anderen Bedingungen. Außerdem kann eine Erhöhung des Drucks und/oder der Temperatur dazu führen, daß eine homogene Nukleierung von Pulvern nicht in den Poren des Substrats, sondern unerwünschterweise in der Gasphase (im Fall von Kohlenstoffverbindungen unter Bildung von Ruß) stattfindet, was zum Verschluß der Oberflächenporen führt und dadurch die weitere Verdichtung erschwert.
CVD/CVI findet u. a. häufig bei der Verdichtung von porösen Kohlenstoffsubstraten Anwendung. Dabei werden in der Regel eine große Zahl derartiger Substrate in einen einheitlich auf eine Temperatur von etwa 1000°C erhitzten Behälter eingebracht und mit einem Strom von Vorläufergas, z. B. Methan, behandelt. Diese Vorgehensweise wird als Heißwand-CVD bezeichnet, da die Wände des Reaktionsgefäßes bei oder etwas über der Substrattemperatur gehalten werden. Bei diesem Verfahren ist die Temperatur jedes Substrats über sein Volumen einheitlich. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Zykluszeit mit einer Größenordnung von 600 bis 1200 h zur Erzielung des gewünschten Verdichtungsgrads extrem lang ist. Das ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, daß der Druck und die Temperatur im Reaktor verhältnismäßig niedrig gehalten werden müssen, um die gewünschte Kohlenstoffmikrostruktur, z. B. die sogenannte glattlaminare oder rauh-laminare Struktur, zu erzeugen und homogene Nukleierung in der Gasphase unter Bildung von Ruß zu verhindern. Außerdem muß man den Prozeß in der Regel mindestens einmal und oft sogar mehrmals unterbrechen, damit die Substrataußenflächen zur Öffnung von verstopften Oberflächenporen aufgemahlen werden können. Ohne zwischengeschaltetes Aufmahlen ist die gewünschte Dichte nicht zu erreichen. Außerdem ist es unmöglich, den Endpunkt der Reaktion zu bestimmen, und der Prozeß wird nach einer vorher festgelegten Dauer beendet. Somit ergibt sich möglicherweise eine unvollständige oder nicht optimale Verdichtung der Substrate und eine unnötige Verlängerung der Verweilzeit bei der hohen Temperatur, was zur Verschwendung von Ressourcen und zusätzlichen Kosten führt.
Es wurde bereits vorgeschlagen, die CVD-Zykluszeit durch die sogenannte "Temperaturgradienten-CVI" zu verkürzen.
Kotlensky beschreibt in Proc. 16th National Sympusium of the Society of Aerospace, Material and Process Engineers, Anaheim, CA, USA, April 1971, S. 257–265.14, ein Temperaturgradienten-CVI-Verfahren, bei dem man ein poröses Kohlenstoff-Kohlenstoff-Substrat an einer Seite eines hexagonalen Graphitdorns (Rezeptor) plaziert, der durch eine bei 3 kHz betriebene Induktionsspule erhitzt wird. Da das Substrat nicht vollständig um den Dorn herumreicht, kann es nicht mit der Spule koppeln. Das poröse Kohlenstoffsubstrat hat außerdem eine viel geringere elektrische Leitfähigkeit als der Dorn. Das Erhitzen des Substrats erfolgt durch die vom Dorn ausgehende Wärmestrahlung. Aufgrund der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit des porösen Kohlenstoffsubstrats und des Strahlungswärmeverlusts von der gegenüberliegenden Substratoberfläche an die wassergekühlte Spule und die wassergekühlten Kammerwände befindet sich diese gegenüberliegende Oberfläche bei einer viel niedrigeren Temperatur. So wird über das Substrat hinweg ein beträchtlicher Temperaturgradient aufgebaut, der es ermöglicht, die heiße Oberfläche ohne sofortigen Porenverschluß auf Temperaturen zu erhitzen, die höher als bei der isothermen CVI sind. Kohlenstoff scheidet sich zunächs (hauptsächlich) im heißesten Teil des Substrats ab. Mit zunehmender Verdichtung dieses Substratteils nimmt auch dessen Wärmeleitfähigkeit etwas zu, was zu einer Verringerung des Temperaturgradienten führt. Somit steigt die Temperatur im Lauf der Zeit durch des Substrat hindurch von der an den Dorn angrenzenden Oberfläche zur gegenüberliegenden Oberfläche hin etwas an. Da das Substrat jedoch immer noch hauptsächlich durch die vom Dorn ausgehende Wärmestrahlung erhitzt wird, ist die Temperatur in den weiter vom Dorn entferne liegenden Teilen des Substrats geringer als in dem an den Dorn angrenzenden Bereich. Damit ist zwar die lokale, mikroskopische Abscheidungs rate in dem heißen, an den Dorn angrenzenden Bereich zunächst höher, der Gesamtprozeß jedoch immer noch verhältnismäßig langsam. Da man bei diesem Verfahren mit einem Druck von 1 atm (760 Torr in Meereshöhe) arbeitet, werden darüber hinaus durch homogene Nukleierung in der Gasphase selbst in den Poren des Substrats beträchtliche Mengen an unerwünschtem Ruß und Teer gebildet, was zur Bildung eines Materials führt, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit besitzt, weniger graphitisierbar ist und verschlechterte mechanische Eigenschaften aufweist.
Lieberman und Noles (Proc. 4th Int. Conf. on Chemical Vapor Deposition, Boston, MA, USA, Okt. 1973, S. 19–29), Stoller et al. (Proc. 1971 Fall Meeting of the Metallurgical Soc. of AIME, Detroit, MI, USA, veröffentlicht in Weeton und Scala (Hrsg.), "Composites: State of the Art", Met. Soc. of AIME [1974],S. 69-136) und Lieberman et al. (J. Composite Materials 9, 337-346 1975]) beschreiben ein Temperaturgradienten-CVI-Verfahren, bei dem man einen porösen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Filz um einen kegelstumpfförmigen Graphitsuszeptor herum anbringt, der mit Hilfe einer kegelförmigen Induktionsspule erhitzt wird. Der anfänglich in flacher Form vorliegende Filz wird zu einem Hohlkegelstumpf geformt, indem man ihn über die gesamte Länge des Kegels mit einem Nylonfaden vernäht. Da Nylon den elektrischen Strom nicht leitet, tritt kein induzierter elektrischer Strom um den Umfang des Filzes auf, und der Filz koppelt nicht elektrisch mit der Spule. Gemäß Stoller et al. wird gegenüber dem isothermen Verfahren nur eine Verringerung der Zykluszeit um den Faktor zwei erzielt, und die Methode ist auf die Verdichtung eines einzigen Gegenstands pro Arbeitsgang beschränkt. Nachteilig ist hierbei außerdem, daß sich in den Poren des Filzsubstrats aufgrund der sehr hohen Arbeitstemperatur und des hohen Arbeitsdrucks Ruß bildet. Die Verdichtungsrate ist wiederum nicht viel größer als beim isothermen Verfahren, da der Filz genau wie bei dem Verfahren nach Kotlensky in erster Linie durch die vom Dorn ausgehende Wärmestrahlung erhitzt wird.
Houdayer et al. beschreiben in der US-PS 4,47,454 ein Verfahren zur Schnellverdichtung von porösen ringförmigen Kohlenstoffteilen, bei dem man die Teile um einen zylindrischen leitfähigen Suszeptor plaziert, diese Anordnung in einen flüssigen Vorläufer, vorzugsweise Cyclohexan, eintaucht, und die Teile mittels Induktion auf eine Temperatur erhitzt, die dazu ausreicht, die Flüssigkeit zum Verdampfen zu bringen und in den Poren der Teile Kohlenstoff abzuscheiden. Dieses Kohlenstoffverdichtungsverfahren soll nur etwa 1/100 der Zeit beanspruchen, die für die Verdichtung aus der Gasphase nach dem Stand der Technik benötigt wird, und die nach diesem Verfahren verdichteten Teile sollen die gleiche Textur und die gleichen physikalischen Eigenschaften wie die nach dem Stand der Technik erhaltenen Teile aufweisen. Bei dieser Vorgehensweise wird die praktische Anwendbarkeit durch das notwendige Eintauchen in einen flüssigen Vorläufer eingeschränkt. Durch den großen Temperaturgradienten, den das Substrat infolge des Wärmeverlusts durch die siedende Vorläuferflüssigkeit erfährt, erreichen die äußeren Teile des Substrats niemals eine zur Bildung von CVD-Kohlenstoff ausreichend hohe Temperatur. Infolgedessen weisen die äußeren Teile des Substrats eine wesentlich geringere Dichte als die inneren Teile auf, was eine entsprechende Überdimensionierung des Substrats erforderlich macht. Da der zentrale Suszeptor die einzige Wärmequelle ist, sind Qualität und Mikrostruktur des im Substrat abgeschiedenen Kohlenstoffs in radialer Richtung nicht konstant. Beispielsweise scheint ein Scale-up dieses Verfahrens zur Verdichtung eines Substrats mit einem Außendurchmesser von 21 Zoll (53,5 cm) wegen der erforderlichen großen Energieversorgungseinheiten und Kühleinrichtungen schwierig zu sein.
Bristow und Hill (Inst. Chem. Eng., London, England, Symp. Ser. 43 [1975], S. 5–5 bis 5–11) raten von der Verwendung einer Induktionsspule zur Verdichtung von porösen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen durch Temperaturgradienten-CVD ab. Angeblich soll. die Gefahr bestehen, daß das Verfahren bei Verwendung einer Induktionserhitzungsanordnung möglicherweise außer Kontrolle gerät. Es wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine zentrale Widerstandsheizung eingesetzt wird. Ein Vorteil bezüglich einer verkürzten Zykluszeit wird nicht erwähnt.
In der JP-A-3064475 wird die Verdichtung eines nichtleitenden porösen Körpers nach einem CVD-Verfahren beschrieben und am Beispiel der Verdichtung eines nichtleitenden, porösen Siliciumcarbidkörpers mit TiB₂ erläutert. Der Körper weist in der Mitte einen Graphitkern auf, der mittels elektromagnetischer Induktion erhitzt wird. Dadurch wird wiederum das umgebende nichtleitende Material dielektrisch erhitzt, was zur Abscheidung von Bor in den Hohlräumen des porösen Körpers führt.
Kurze Darstellung der Erfindung
Zur Überwindung der Mängel des Standes der Technik stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Flugzeugbremsbelags durch Verdichtung eines porösen ringförmigen Körpers durch Infiltrieren mit einer gasförmigen Verbindung, die bei thermischer Zersetzung einen leitfähigen festen Rückstand bildet, und thermische Zersetzung dieser Verbindung in den Poren des porösen Körpers bereit, bei dem der poröse Körper elektrisch leitfähig ist und bei dem man

a) innerhalb des porösen Körpers und sich darüber hinweg erstreckend mittels elektromagnetischer Induktion einen Temperaturgradienten mit einer Zone höherer Temperatur und einer Zone tieferer Temperatur aufbaut;
b) durch Infiltrieren des porösen Körpers mit einem die thermisch zersetzbare Verbindung enthaltenden Gas überwiegend in der Zone höherer Temperatur des porösen Körpers einen festen leitfähigen Rückstand abscheidet und
c) die Zone höherer Temperatur mit fortschreitender Abscheidung des festen, leitfähigen Rückstands unter Aufrechterhaltung des Temperaturgradienten stetig zur Zone tieferer Temperatur verschiebt, indem man die verdichtete Zone elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz, die in die verdichtete Zone des porösen festen Körpers induktiv einkoppelt, aussetzt, bei dem man das Verfahren in einem Reaktor mit gekühlten Wänden durchführt und bei dem der poröse Körper um eine Wärmequelle mit einem Hochfrequenz- rezeptor mit Aussparung zwischen dem porösen Körper und dem Rezeptor angebracht wird, wobei der Rezeptor mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz im Bereich von 60 Hz bis 1000 kHz induktiv gekoppelt ist, so daß die Innenseite des porösen Körpers der Wärmequelle und die Außenseite des porösen Körpers der gekühlten Reaktorwand ausgesetzt ist.

Das Verfahren wird in einem Reaktor mit gekühlten Wänden, in der Regel wassergekühlten Wänden, durchgeführt (Kaltwand-Reaktor).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines zur Ausübung der vorliegenden Erfindung geeigneten Behälters zur chemischen Gasphaseninfiltration mit zugehörigen Zusatzeinrichtungen;
2 ein schematisches Diagramm eines Gaszufuhrsystems für eine Vorrichtung zur chemischen Gas phaseninfiltration des in 1 allgemein dargestellten Typs;
3 und 4 die vor und nach CVI bestimmte Dichte von speziellen beispielhaften Kohlenstoffteilen für zwei spezielle Versuchsläufe und
5 eine schematische Veranschaulichung der Anordnung eines ringförmigen Körpers um einen Suszeptor 5. Der ringförmige Körper besteht aus 4 mit den Bezugszahlen 21 bis 24 versehenen Segmenten, die miteinander in elektrisch leitender Verbindung stehen müssen.
Nähere Beschreibung der Erfindung, der bevorzugten Ausführungsformen und des derzeit als für ihre Ausübung am besten erachteten Wegs
Zwar eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Verdichtung von porösen Kohlenstoffkörpern durch Abscheidung von Kohlenstoff in den Poren, jedoch kann man auf diese Art und Weise jedes beliebige poröse Material verdichten, vorausgesetzt, daß es mit der elektromagnetischen Strahlung koppeln kann. Als Beispiele hierfür seien die Nitride von Aluminium, Titan, Bor, Silicium, Siliciumcarbid, kubisches Zirkoniumoxid und dergleichen genannt.
Die Porengröße und das Porenvolumen sind nicht kritisch, so lange die gasförmige Verbindung unter den Reaktionsbedingungen in die Poren eindringen und darin durch thermische Zersetzung einen leitfähigen festen Rückstand bilden kann.
Bei der gasförmigen Verbindung kann es sich um eine beliebige Verbindung handeln, die bei thermischer Zersetzung den gewünschten leitfähigen festen Rückstand zur Ausfüllung der Poren bildet. Wenn es sich bei dem gewünschten Rückstand um Kohlenstoff handelt, wie bei der Bildung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen, so kommen im allgemeinen die niederen Kohlenwasserstoffe, z. B. die niederen, geradkettigen, verzweigten oder cyclischen Alkane mit 1 bis etwa 8 Kohlenstoffatomen, in Betracht. Als Beispiele seien Methan und Cyclopentan genannt. Das bei Raumtemperatur flüssige Cyclopentan ist bevorzugt, da es eine effiziente Nutzung und Umwandlung zu Kohlenstoff ergibt.
Die Dampfdrücke der thermisch zersetzbaren gasförmigen Verbindung in der Reaktionskammer können über weite Bereiche variieren, und zwar von etwa 1 × 10^–3 Torr bis etwa 760 Torr. Zu hohe Partialdrücke der Verbindung, beispielsweise über etwa 800 Torr, sind im Fall der Abscheidung von Kohlenstoff zweckmäßigerweise zu vermeiden, damit sich möglichst wenig unerwünschte Zersetzungsprodukte, wie z. B. Ruß und Teere, bilden.
Unter einem Temperaturgradienten ist zu verstehen, daß die Temperatur des porösen festen Körpers auf einer Seite höher ist und zur anderen Seite hin allmählich abnimmt. Im Fall eines ringförmigen Körpers wäre die Temperatur auf der Innenseite am höchsten und auf der Außenseite am niedrigsten. Geeignete Temperaturen und Temperaturunterschiede hängen von der Art des zu verdichtenden Materials, der Art der gasförmigen Verbindung und deren Dampfdruck in der Reaktionskammer ab. Geeignete Temperaturen können vom Durchschnittsfachmann ohne weiteres ausgewählt werden. Zum Aufbau des Temperaturgradienten führt man das Verfahren in einer geschlossenen Reaktionskammer mit gekühlten Wänden (Kaltwand-Reaktor) durch und setzt eine Seite des zu verdichtenden Materials einer Wärmequelle aus. Bei der Wärmequelle handelt es sich um einen Rezeptor (z. B. einen Graphitkörper), der mit einer Quelle von hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung im Bereich von etwa 60 Hz bis etwa 1000 KHz induktiv gekoppelt ist. Die Frequenz wird so ausgewählt, daß sie in die verdichteten Teile des porösen festen Körpers induktiv einkoppelt und so für eine Erhitzung innerhalb des Körpers sorgt, wodurch der Temperaturgradient mit fortschreitender Verdichtung verschoben wird. Der zu verdichtende Körper bzw. die zu verdichtenden Körper werden von der Strahlungsquelle, bei der es sich in der Regel um eine wassergekühlte Induktionsspule handelt, umschlossen und umgeben den Rezeptor. Wenn mehrere feste, nicht ringförmige Körper, die in Kombination einen ringförmigen Körper bilden, verdichtet werden sollen, müssen sie miteinander in elektrischem Kontakt stehen, wie es in 5 dargestellt ist, da die verdichteten Bereiche sonst nicht mit dem elektromagnetischen Feld koppeln und die auf der Induktionserhitzung beruhenden Vorteile des sich verschiebenden Temperaturgradienten nicht realisiert werden. Man kann mehrere ringförmige Körper verdichten, indem man sie gemäß 1 um den zentralen Suszeptor herum anordnet, wobei die Körper nicht unbedingt miteinander in elektrischem Kontakt stehen müssen. Die Substrate werden infolge des Temperaturgradienten radial von innen nach außen verdichtet. Mit steigender Dichte der Teile nimmt auch ihre elektrische Leitfähigkeit zu. Daher beginnen die verdichteten Bereiche der Substrate nun, mit dem von der Induktionsspule erzeugten elektrischen Feld zu koppeln, wobei sie durch den vom Feld erzeugten elektrischen Strom direkt erhitzt werden. Somit bewegt sich die Verdichtungsfront radial von innen nach außen, wobei die Kopplung und Erhitzung durch die Spule sich im Lauf des Verfahrens kontinuierlich verbessert. Dies führt dann zu einem in Abhängigkeit von der Verarbeitungszeit bei konstanter Leistung im wesentlichen linearen Gewichtsanstieg. Im Gegensatz dazu ergeben die Verfahren des Standes der Technik eine viel langsamere und exponentiell verlaufende Annäherung an das Endgewicht der Substrate, wie oben beschrieben wurde, da das Erhitzen der Substrate bei den Verfahren des Standes der Technik nur auf der vom Dorn ausgehenden Wärmestrahlung und der Wärmeleitung durch das Substrat beruht, die vergleichsweise sehr gering ist.
Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung kommende Verdichtungsverfahren wird als chemische Gasphaseninfiltration (CVI) bezeichnet. Die verwendete Vorrichtung und die Arbeitsgänge können allgemein folgendermaßen beschrieben werden:
Eine geeignete Vorrichtung ist in 1 der Zeichnungen dargestellt, bei der es sich um eine schematische Ansicht einer Kaltwand-Temperaturgradienten-CVI-Vorrichtung zur Infiltration und Verdichtung von ringförmigen porösen Kohlenstoffsubstraten handelt. Die Vorrichtung besteht aus einer wassergekühlten Vakuumkammer 1 aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 15 Zoll und einer Höhe von etwa 25 Zoll, an die eine Reihe von Zusatzeinrichtungen angeschlossen sind. Die Kammer kann über ein Drosselventil 11 und einen Schieber 12 durch eine 350-cfm-Wälzkolbenpumpe 16, die von einer zweistufigen mechanischen 50-cfm-Drehkolbenpumpe 17 unterstützt wird, ausgepumpt werden. Ein Stickstoffgasstrom (Ballast) kann gegebenenfalls an die Drehkolbenpumpe 17 und deren Ölvorratsbehälter über Einlaß 14 angelegt werden. Der Stickstoffballaststrom hilft bei der Verringerung der Kontamination des Pumpeninneren und des Pumpenöls durch kondensierbare Nebenprodukte. Ein gasförmiger Kohlenstoffvorläufer aus einer Gaszufuhrleitung (in 2 beschrieben) wird durch Öffnung 7 am Boden der Kammer in die Kammer eingelassen. Alternativ dazu kann man auch mehrere Gaseinlässe verwenden, um das Gas einheitlicher entlang der Substrate zu verteilen. In der Kammer können abhängig von der Stellung des Drosselventils und dem Betriebszustand der Wälzkolbenpumpe (an/aus) unterschiedliche Basis- und Arbeitsdrücke erreicht und stabilisiert werden. Der Druck in der Kammer kann mit Hilfe eines Druckreglers über einen weiten Druckbereich (z. B. von weniger als 10^–2 Torr bis 760 Torr bzw. 1 atm) geregelt werden, indem die Stellung der Drosselventilklappe zwecks Variation der Strömungsführung zu den Pumpen automatisch und dynamisch eingestellt wird. Zur Erzielung eines weiteren Arbeitsdruckbereichs kann man zwei hintereinandergeschaltete Drosselventile mit unterschiedlichem Klappendurchmesser verwenden. Das der Druckmessung entsprechende elektrische Signal wird dem Druckregler über einen Absolutdruckmesser 8 (Membrantyp) übermittelt; mit dem Druckmesser und der zugehörigen Elektronik können Drücke im Bereich von 1 × 10³ bis 1000 Torr gemessen werden. Zwischen der Kammer und den Pumpen befinden sich zwei Teer-Kühlfallen 9 und ein Staubfänger 10. Die Teerfallen bestehen aus Metallrohr mit drei Wicklungen, dessen Oberflächen den Gasen und Dämpfen in der Kammer ausgesetzt sind. Die Konstruktion der Teerfallen zwingt die Dämpfe dazu, um die gekühlten Rohre herumzufließen und damit in Berührung zu kommen, und verhindert den direkten Durchgang von Gasmolekülen aus der Kammer in die über den Fallen liegende Vakuumleitung. Die Rohre werden mit einer durch sie hindurchströmenden Mischung aus etwa 50% Ethylenglykol und 50% Wasser auf etwa –15°C gekühlt. Der Staubfänger 10 enthält ein Gazesieb oder Netz aus rostfreiem Stahl oder Kupfer, in dem teilchenförmige Stoffe mechanisch abgefangen werden. Die Teerfallen und der Staubfänger dienen dazu, die Menge an flüssigen und festen Teer- und Ruß-Nebenprodukten, die letztlich zu den Pumpen gelangen, zu vermindern. Jegliche stabile gasförmige Nebenprodukte, die durch die Pumpe strömen, wie z. B. Methan, Ethan und Wasserstoff, gehen hindurch und werden in einer Verbrennungszelle 18, bei der es sich um einen mit einem Luftstrom versorgten und bei 700-1000°C (z. B. 870°C) betriebenen Heißwand-Ofen handelt, oxidiert. Alternativ dazu kann es sich bei 18 um eine Einrichtung zur Abtrennung dieser stabilen Nebenprodukte und deren Rückführung oder deren Verwendung als Energiequelle handeln. Eine zusätzliche Sicherheitseinrichtung stellt das an den Eingang der Verbrennungszelle angeschlossene Druckbegrenzungsventil 15 dar, das beispielsweise auf 5 psi Überdruck eingestellt ist. Der Abzug 20 am Boden der Infiltrationskammer 1 ermöglicht den Zugang zur Kammer und deren Reinigung von den Nebenprodukten.
In der Vakuumkammer 1 sind die ringförmigen porösen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Substrate 4 um einen leitfähigen zylindrischen Dorn oder Suszeptor 3 angebracht. Die Substrate können mit einer verhältnismäßig kleinen Aussparung angebracht und durch Reibungskräfte auf dem Suszeptor gehalten werden. Alternativ dazu kann man sie mit einer etwas größeren Aussparung anbringen (so daß sie nicht selbsttragend sind) und jeweils beispielsweise von unten mit Hilfe eines elektrisch nicht leitenden, dünnen Stabs aus Keramik (beispielsweise Aluminiumoxid) unterstützen. Der Suszeptor kann beispielsweise aus Molybdän oder Graphit bestehen und massiv oder hohl sein. Der Mindestdurchmesser des massiven Suszeptors und/oder der Außendurchmesser und die Wanddicke des hohlen Suszeptors sind so gewählt, daß eine effiziente Kopplung mit und Erhitzung durch eine an eine Wechselstromquelle (z. B. 2–10 kHz) angeschlossene und dadurch betriebene Induktionsspule 2 (z. B. aus Kupfer) möglich ist. Die Spule ist mit der Energieversorgung über eine wassergekühlte Vakuumdurchführung verbunden, durch die sowohl elektrischer Strom als auch Kühlwasser fließen kann. Das durch die Induktionsspule im Suszeptor erzeugte elektrische Feld führt zu im wesentlichen umfänglich umlaufenden Strömen, die etwa bis zu einer Tiefe δ von der Außenfläche des Suszeptors vorliegen. Diese sogenannte Eindringtiefe δ ist invers proportional zur Quadratwurzel aus dem Produkt der elektrischen Leitfähigkeit σ des Suszeptormaterials und der Frequenz f des elektrischen Felds: δ = K/(σ f)0 ,5 wobei K für eine Konstante steht. So beträgt δ für einen Graphit-Suszeptor (σ ≈ 1 × 10^–3 Ohm·cm) und eine Frequenz von 10 kHz etwa 1,4 cm und für einen Molybdän-Suszeptor (σ ≈ 5,3 × 10^–6 Ohm·cm) etwa 1 mm bei 10 kHz. Die Temperatur des Suszeptors nimmt mit der von der Energieversorgung an die Spule gelieferten Leistung zu. Diese Leistung kann manuell eingestellt und oder automatisch gesteuert werden. Als Signal für die automatische Steuerung kann man die beispielsweise mit einem Vakuum-Thermoelement in der Energieversorgung gemessene Leistung oder die durchschnittliche Temperatur bzw. die beispielsweise mit fest angebrachten oder eingebetteten Thermoelementen (z. B. aus Pt-13% Rh/Pt) gemessenen durchschnittlichen Temperaturen im Suszeptor oder in einem Substrat einspeisen. Man kann viele Substrate (3 bis 5 in der in 1 gezeigten Vorrichtung) auf einem Suszeptor anbringen und in einem Lauf verdichten. Am Kopf und am Boden des Suszeptors können nichtleitende Wärmeschilde 6, beispielsweise Quarzplatten und/oder Schlitzplatten aus Grafoil-Kohlenstoff zur Verringerung der Wärmeverluste durch Abstrahlung an die Kammerwände angebracht werden, wodurch die Einheitlichkeit der Temperatur in Axialrichtung (längs) des Suszeptors verbessert wird. Bei Verwendung von Grafoil oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material wird die Kopplung mit der Induktionsspule und die dadurch erzeugte möglicherweise unerwünschte Erwärmung durch einen radialen Schlitz verhindert. Zwischen den Substraten 4 und der Spule 2 kann ein nichtleitendes Rohr 5 (z. B. aus Quarz) angeordnet sein. Das Quarzrohr 5 bescchränkt den Strom des Vorläufergases größtenteils auf die unmittelbare Nähe der Substrate und hilft bei der Erzielung einer effizienteren Nutzung des Vorläufers. Das Quarzrohr liefert auch eine elektrische Isolierung und teilweise Wärmeisolierung zwischen den Substraten und der wassergekühlten Spule 2. Der Suszeptor 3 ist an einem Träger 21 am Kopf der Kammer aufgehängt.
Gegebenenfalls kann eine in-situ-Wägevorrichtung (z. B. eine elektronische Waage) 13 zur kontinuierlichen Überwachung des Gewichts der Substrate und des Suszeptors während der Verdichtung verwendet werden. Die Waage sendet ein zu diesem Gewicht proportionales elektrisches Signal aus, das dann als solches oder in Form einer Funktion davon (z. B. der Ableitung nach der Zeit, proportional zur Verdichtungsrate oder Gewichtszunahmerate) in die mit der Spule verbundene Energieversorgung und/oder den Druckregler und/oder den Massendurchflußregler zwecks Einstellung und Optimierung der Verfahrensbedingungen (nämlich Leistung, Druck und Vorläuferdurchflußrate) in Echtzeit eingespeist werden kann. Da der weitaus größte Teil der für die Kohlenstoffabscheidung zur Verfügung stehenden Fläche sich in und auf den Poren der Substrate befindet, ist die während der Verdichtung bestimmte Gewichtszunahme ein direktes Maß für das Fortschreiten des Verdichtungsprozesses. Auf den verhältnismäßig kleinen exponierten Oberflächen des Suszeptors scheidet sich nur ein sehr geringer Teil des Kohlenstoffs ab. Somit können die Bedingungen in Echtzeit kontinuierlich verändert werden, beispielsweise zur Minimierung der CVD-Zykluszeit. Die Waage ermöglicht auch eine genaue Bestimmung des Endpunkts des Infiltrationsprozesses anhand der Änderung der Steigung der Gewichtszunahme als Funktion der Zeit; d. h. die Steigung wird geringer, wenn alle offenen Poren in den Substraten gefüllt sind. Dadurch kann die Verdichtungszeit für Teile mit unterschiedlicher Oberfläche und selbst für Teile mit unterschiedlicher Größe in ein und demselben Lauf minimiert werden, ohne daß zeitaufwendige Gerätekalibrierungen durchgeführt werden müssen. Zur Verhinderung der Kontamination der elektronischen Waage mit Reaktionsnebenprodukten wird die Waage stets von einem Inertgasstrom (z. B. Argon) umströmt. An der die Waage enthaltenden Kammer 19 kann man ein nicht gezeigtes zweites Drosselventil anbringen und zur Aufrechterhaltung eines etwas höheren Drucks in dieser Kammer 19 als in der Hauptinfiltrationskammer 1 verwenden. Die Waagenkammer 19 wird auf etwas über Raumtemperatur temperiert, damit ein stabiler Betrieb der Waage gewährleistet ist.
2 zeigt ein Diagramm der zur Einspeisung des kohlenstoffhaltigen Vorläufers in die Infiltrationskammer (1) verwendeten Gaszufuhrleitung. Ein Druckkessel 1, in der Regel eine stählerne Gasflasche, enthält den flüssigen oder gasförmigen Vorläufer, beispielsweise Cyclopentan (C₅H₁₀). Der Strom des Vorläufers aus dem Kessel 1 wird mit einem handbetätigten Membranventil 13 gesteuert. Ein Strömungsbegrenzungsventil 2 dient als Sicherheitseinrichtung und stoppt den Strom bei Überschreitung eines vorher festgelegten Durchflußratengrenzwerts. Staub und andere Teilchen mit einer Größe von mehr als 2 μm werden durch ein Maschenfilter 3 aus rostfreiem Stahl zurückgehalten. Mit einem Membran-Absolutdruckrnesser 4 wird der Druck in der Leitung und – unter Vakuumbedingungen – der Dampfdruck des flüssigen Vorläufers gemessen. Mit einem handbetätigten Membranventil 5 kann der Vorläuferdampf durch den Massendurchflußregler 8 strömen. Der Massendurchflußregler dient zur Einstellung einer gewünschten Durchflußrate des Vorläufers in die Infiltrationskammer (1). Die Ventile 10 und 11 sind über einen Maschenfilter 12 aus rostfreiem Stahl mit den Vakuumpumpen verbunden, was eine Evakuierung der Zufuhrleitung ermöglicht. Über das Ventil 7 kann die Zufuhrleitung mit einem Inertgas, wie z. B. Argon, über ein Rückschlagventil 6 gespült werden; das Rückschlagventil verhindert das Zurückströmen des Vorläufers und damit Verunreinigung der Inertgasleitung. Über das Ventil 9 kann der Vorläuferdampf in die Infiltrationskammer (1) strömen. Bei den Ventilen 7, 9, 10 und 11 handelt es sich um Federbalgventile, die durch sekundäre, magnetgesteuerte Druckluftventile (nicht gezeigt) betätigt werden. Die gesamte Zufuhrleitung mit Ausnahme der Vorläufer-Flasche 1 befindet sich in einem metallischen, wärmeisolierten Behälter 14, der auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Vorläufers temperiert ist, beispielsweise auf etwa 70°C für Cyclopentan, das einen Siedepunkt von 50°C hat. Mit dieser Einrichtung und Vorgehensweise wird eine unerwünschte Kondensation des flüssigen Vorläufers in der Zufuhrleitung und/oder deren Elementen verhindert. Wenngleich die Gaszufuhrleitung für einen flüssigen Vorläufer ausgeführt ist, kann man sie auch leicht zur Aufnahme eines gasförmigen Vorläufers, wie z. B. Methan, modifizieren, indem man beispielsweise zwischen dem Filter 3 und der T-Verbindung zum Druckmesser 4 zusätzlich einen Druckminderungsregler einbaut.
Die gesamte Infiltrationsvorrichtung kann automatisch ferngesteuert werden, beispielsweise mit einem Personalcomputer mit Eingangs-/Ausgangsdatenplatine und entsrechender Software, da die Leistung (durch die die Temperatur bestimmt wird), der Druck, die Vorläuferdurchflußrate und die Ein-Aus-Gasventile alle elektrisch gesteuert werden. Durch entsprechende Programmierung kann dieses Infiltrationssystem unter Verwendung von intelligenter Erfassung und Verarbeitung die Verfahrensbedingungen in Echtzeit so variieren, daß die Gesamtzykluszeit minimiert wird, beispielsweise unter Verwendung von Gewichtszunahme- und Temperatursignalen.
Im folgenden wird eine beispielhafte Abscheidungsoperation beschrieben:
Anbringen der porösen Substrate auf einem Dorn.
Auf einem hohlen Molybdändorn (Außendurchmesser 1,75 Zoll, Innendurchmesser 1,00 Zoll) werden drei poröse, ringförmige Kohlenstoff-Kohlenstoff-Substrate mit einem Außendurchmesser von jeweils 4,12 Zoll, einem Innendurchmesser von jeweils 1,75 Zoll und einer Dicke von 1,2 Zoll angebracht. Am ganzen Dorn entlang wird zwischen der Unterseite eines jeden Substrats und der Oberseite des darunterliegenden Substrats ein Abstand von 0,5 Zoll eingehalten, und der Außendurchmesser des Dorns zwischen den Subtratpositionen beträgt 1,50 Zoll.
Anbringen des Dorns und der Substrate in der Infiltrationskammer:
Der Dorn mit den Substraten wird an einen Stahlträger am Kopf der Kammer über (von oben nach unten) einen Aluminiumoxid-Elektroisolator und einen Graphitstab mit einem Durchmesser von 0,25 Zoll, der mit einem Molybdänstab mit einem Durchmesser von 0,25 Zoll verbunden ist, aufgehängt. Am Boden der Infiltrationsvakuumkammer wird innerhalb einer wassergekühlten Kupferspule ein Quarzrohr mit einem Außendurchmesser von 5,55 Zoll und einem Innendurchmesser von 5,31 Zoll mittig aufgestellt. Der den Dorn und die Substrate tragende Kopfflansch der Kammer wird abgesenkt, wobei der Dorn und die Substrate innerhalb und in der Mitte des Quarzrohrs und der Spule positioniert werden.
Evakuieren und Spülen der Infiltrationskammer:
Die Vakuumkammer wird verschlossen und evakuiert. Sie wird mit Argon oder einem anderen Inertgas, wie z. B. Stickstoff, gespült und mehrmals erneut evakuiert und unter Vakuum belassen.
Entgasen der Substrate und der Kammer:
Der Spule wird eine Leistung von beispielsweise 1 kW bei einer Frequenz von beispielsweise 7,5 kHz zugeführt, um den Dorn auf eine Temperatur von etwa 200°C zu erhitzen. Die Leistung und die Frequenz werden allmählich auf beispielsweise 10,5 kW bzw. beispielsweise 8,4 kHz angehoben, um den Dorn auf eine Temperatur von etwa 1100°C zu erhitzen. Nach Abschalten der Leistungszufuhr zur Spule wird in der Kammer ein Argon- oder Stickstoffstrom von beispielsweise 500 sccm bei einem Druck von beispielsweise 40 Torr stabilisiert. Die Spule wird wieder erregt und die Entgasung fortgesetzt. Diese Operation wird mehrmals wiederholt. Die Leistungszufuhr zur Spule wird bei großen Druckvariationen vorübergehend unterbrochen, um Bogenbildung zu vermeiden.
Evakuieren und Spülen der Vorläuferzufuhrleitung:
Die Cyclopentanzufuhrleitung wird evakuiert, mit Argon oder einem anderen Inertgas gespült und mehrmals wieder evakuiert und schließlich unter Vakuum belassen.
Starten des Vorläuferstroms und der Kohlenstoffinfiltration der porösen Substrate:
Die Leistungszufuhr zur Spule wird auf den gewünschten Wert eingestellt, beispielsweise 10,5 kW bei einer Frequenz von 8,4 kHz, was, wie oben bereits erwähnt, eine Dorntemperatur von etwa 1100°C ergibt. Der Argonstrom wird allmählich auf Null reduziert, während Cyclopentandampf durch die Zufuhrleitung (2) in die Infiltrationskammer eingespeist wird. Schließlich wird ein Strom von reinem Cyclopentan durch die Infiltrationskammer bei beispielsweise 650 sccm und einem Gesamtdruck von beispielsweise 90 Torr aufgebaut. Die Kohlenstoffabscheidung beginnt sofort mit der ersten Einspeisung von Cyclopentan in die Infiltrationskammer.
Beendigung der Kohlenstoffinfiltration:
Der Vorläuferstrom wird allmählich verringert, während Argon oder Stickstoff in die Infiltrationskammer eingespeist werden. Die Infiltrationskammer und die Vorläuferzufuhrleitung werden evakuiert und mehrmals mit Argon oder Stickstoff gespült. Schließlich schaltet man die Leistungszufuhr zur Spule herunter und läßt den Suszeptor und die Substrate entweder im Vakuum oder im Argon- oder Stickstoffstrom abkühlen.
Bei speziellen Versuchsläufen gemäß der obigen allgemeinen Vorgehensweise wurden die folgenden Ergebnisse erhalten:
In Lauf I wurden drei poröse Vliesstoff-PAN-Kohlenstoff-Substrate mit einem Außendurchmesser von 4,12 Zoll, einem Innendurchmesser von 1,75 Zoll und einer Dicke von 1,2 Zoll auf einem hohlen Molybdändorn, wie er oben beschrieben ist, angebracht und mit Kohlenstoff infiltriert. Bei einem Cyclopentanstrom von 647 sccm wurde der Gesamtdruck in der Kammer im Mittel bei 48 Torr (zwischen 2 und 97 Torr) gehalten. Der Spule wurde eine Leistung von 10,5 kW bei einer Frequenz von 8,4 kHz zugeführt. Die Temperatur in der Mitte des Suszeptors wurde auf 1100°C geschätzt. Es wurden keine Wärmeisolierschilde am Kopf und am Boden des Suszeptors verwendet. Der Lauf wurde nach 4 h unterbrochen und dann weitere 22 h fortgeführt, was insgesamt 26 h ergab. Die Substrate wurden bei jedem Zyklus des Laufs in den gleichen axialen Positionen auf dem Suszeptor angebracht, und das Substratgewicht wurde vor der Verdichtung, nach 4 h und nach 26 h aufgezeichnet. Die Substratvolumina wurden durch Eintauchen in entionisiertes Wasser nach 26 h bestimmt. Die Zunahme von Gewicht (nach 0, 4 und 26 h) und Dichte (nach 0 und 26 h) sind in der nachstehenden TABELLE 1 aufgeführt. Die Dichte von Graphit (ρ_Graphit) beträgt 1, 80 g/cm³:
TABELLE 1
Die mittlere Verdichtungsrate beim 22-h-Lauf war 1,75-bis 3mal so schnell wie die in den ersten 4 h (siehe 3). In den verdichteten Kohlenstoffsubstraten ist selbst nach 26 h noch restliche offene Porosität vorhanden, was bedeutet, daß eine weitere Verdichtung ohne Oberflächenaufmahlung möglich ist. Die Nettoeffizienz der Reaktion belief sich in den letzten 22 h auf 21% und in den ersten 4 h auf 10% . Dieses Verhalten stimmt mit einer sich von innen nach außen bewegenden Verdichtungsfront überein. Im Gegensatz dazu beobachtet man bei dem isothermen Verfahren des Standes der Technik das entgegengesetzte Verhalten, wobei die Annäherung an die Enddichte mit der Zeit exponentiell abnimmt. Aus den Röntgenbeugungsergebnissen ergibt sich ein d-Abstand von 3,46 Å für Scheibe Nr. 2 (nicht graphitisiert), was einem Wert von 3,42 Å auf einem nach dem Stand der Technik hergestellten graphitisierten Kohlenstoffsubstrat gegenüberzustellen ist. In polarisiertem Licht aufgenommene mikroskopische Aufnahmen zeigen, daß die Mikrostruktur des durch CVI hinzugefügten Kohlenstoffs in Scheibe Nr. 2 rauh-glatt laminar ist. Diese wird durch den Löschwinkel des sogenannten "Malteserkreuz"-Musters bestimmt, der 16° beträgt, was Literaturwerten von 20° für rauh laminar und 12° für glatt laminar gegenüberzustellen ist. Die Druckfestigkeit einer aus der Scheibe Nr. 2 ausgekernten Probe mit einem Durchmesser von 0,5 Zoll und einer Länge von 1 Zoll beträgt 16,6 ksi, was für diese Dichte als gut erachtet wird. Bei höherer Dichte läßt sich eine höhere Drucktestigkeit erzielen. Eine andere, aus Scheibe Nr. 2 ausgekernte Probe zeigte nach 4 h Glühen im Hochvakuum bei 1800°C im Rahmen der Meßgenauigkeit (0, 1 g) keinen Gewichtsverlust. Die höhere Dichte der mittleren Scheibe im Vergleich zu den beiden äußeren Scheiben bei diesem Lauf ist auf einen axialen Temperaturgradienten von 20–50°C entlang des Mo-Suszeptors zurückzuführen, der mittels Wärmeisolierung (siehe Lauf II) beträchtlich verringert werden kann. Die Menge an in Form einer dunkelbraunen, viskosen Flüssigkeit gebildetem Teer beträgt nur etwa 4% des gesamten Vorläuferstroms.
Im Lauf II wurden Wärmeisolierschilde (6 in 1) verwendet. Drei poröse Vliesstoff-PAN-Kohlenstoff-Substrate mit einem Außendurchmesser von 4,12 Zoll, einem Innendurchmesser von 1,75 Zoll und einer Dicke von 1,2 Zoll wurden auf einem hohlen Molybdändorn analog Lauf I angebracht und mit Kohlenstoff infiltriert. Bei einem Cyclopentanstrom von 647 sccm wurde der Gesamtdruck in der Kammer bei 40 Torr gehalten. Der Spule wurde eine Leistung von 10,8 kW bei einer Frequenz von 8,4 kHz zugeführt. Der Lauf dauerte 30 h. Die Zunahme von Gewicht und Dichte sind in der nachstehenden TABELLE 2 aufgeführt:
TABELLE 2
Durch die oben und unten auf den Suszeptor aufgebrachte Isolierung wird die in Lauf I ohne die zusätzliche Isolierung beobachtete Variation der Dichte von Scheibe zu Scheibe im wesentlichen ausgeschaltet, und alle drei Scheiten sind nun in beträchtlichem Maß verdichtet (siehe 4). Die geringere Abnahme der Dichte von unten nach oben ist wahrscheinlich auf die Verarmung der Gasphase an Vorläufer zurückzuführen, was durch Einstellung der Verarbeitungsbedingungen behoben werden kann. Die Nettoeffizienz der Reaktion beträgt in Lauf II mehr als 22%.
Die obige Beschreibung der Vorrichtung und des Verfahrens sind beispielhaft. Der Schutzbereich der Erfindung wird nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die vorliegende Erfindung ein schnelles, einschrittiges Verfahren zur Gasphasenverdichtung von ringförmigen porösen Substraten und insbesondere Kohlenstoff – Kohlenstoff-Substraten zur Verwendung als Flugzeug-Bremsbeläge bereitstellt. Die CVI-Zykluszeit ist gegenüber dem Stand der Technik um einen Faktor von 40– 50 oder mehr geringer, und es sind keine Unterbrechungen zur Oberflächenmahlung erforderlich. Eine Charge von beispielsweise 25 Substraten kann in etwa 25 h verdichtet werden, wohingegen im Stand der Technik 600–1200 h erforderlich wären. Die Fähigkeit zur vollständigen Verdichtung von Substraten innerhalb eines Tages erlaubt wesentliche Verringerungen bei der Lagerhaltung und eine "just-in-time"-Produktion. Das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem in eine kontinuierliche Form umgewandelt werden, indem man an dem in 1 gezeigten System einfache Änderungen vornimmt. Es gibt keine grundlegenden technischen Grenzen bezüglich einer Maßstabsvergrößerung sowohl des Substratdurchmessers als auch der Zahl der Substrate pro Lauf. Die Mikrostruktur des bei dem vorliegenden Verfahren erzeugten CVI-Kohlenstoffs ist rauh-glatt laminar mit hervorragenden Reibungs- und Verschleißeigenschaften und stellt die gewünschte Mikrostruktur für Bremsbeläge dar.
Nach dem in Rede stehenden Verfahren können auch andere Materialien als Kohlenstoff-Kohlenstoff, beispielsweise Siliciumcarbid (SiC), verdichtet werden, wobei man entsprechende Vorläufer und Verarbeitungsbedingungen, wie z. B. Druck, Durchflußrate und Temperatur, wählt. Zur Ausnutzung der dem vorliegenden Verfahren eigenen Geschwindigkeit muß das verdichtete Material bei der Verdichtungstemperatur so leitfähig sein, daß es in das von dem Strom in der Spule erzeugte elektrische Feld einkoppeln kann. Metallische Materialien, z. B. Aluminium oder Titannitrid, und halbmetallische Materialien, wie z. B. Bor, sind schon bei Raumtemperatur ausreichend gut leitfähig. Halbleiter, z. B. SiC und Si sowie bestimmte Ionenleiter, z. B. kubisches Zirkoniumoxid, haben bei Raumtemperatur eine mittelmäßige Leitfähigkeit, die aber mit der Temperatur exponentiell zunimmt, was ihre erfindungsgemäße Verdichtung ermöglicht.
Die Effizienz des in Rede stehenden Verfahrens beläuft sich für Kohlenstoff-Kohlenstoff auf mehr als 20%, was den Wert gemäß dem Stand der Technik um das Zehnfache übersteigt und beträchtliche Kosteneinsparungen und wesentlich verringerte Emissionen ergibt. Die gebildete Teermenge ist verhältnismäßig gering und die Rußmenge so gut wie belanglos. Der gebildete Teer kann durch korrekte Ausgestaltung der Reaktionskammer leicht abgelassen und aufgefangen werden.
Die Verdichtung verläuft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei konstanter Leistung zeitlich in etwa linear, wohingegen die Verdichtung im Stand der Technik zeitlich viel langsamer und exponentiell variiert, wobei die Annäherung an die Enddichte sehr langsam erfolgt. Darüber hinaus kann man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verdichtungsrate durch Variation beispielsweise der Leistungszufuhr zur Spule (zur Beeinflussung der Temperatur) unter Verwendung der unmittelbaren Echtzeit-Gewichtszunahme der Substrate als Eingabeparameter optimieren. Dieselbe in-situ-Wägung gestattet eine genaue Bestimmung des Endpunkts der Reaktion, wohingegen es beim Stand der Technik keine in-situ-Echtzeit-Bestimmung des Endpunkts gibt und man die Reaktion nach einer vorher festgelegten Zeit beendet, wobei einige Substrate möglicherweise nur unvollständig verdichtet bleiben. Bei dem in Rede stehenden Verfahren können Substrate mit verschiedenem Durchmesser und/oder verschiedener Dicke in ein und demselben Lauf verdichtet werden.
Das in Rede stehende Verfahren kann über einen weiten Druckbereich und insbesondere bei viel niedrigeren Drücken als bei vorher beschriebenen Temperaturgradientenverfahren durchgeführt werden. Das in Rede stehende Verfahren wird auch bei viel niedrigerer Temperatur als bei vorher beschriebenen Temperaturgradientenverfahren, aber bei höherer Temperatur als das isotherme Verfahren durchgeführt, was eine stark verkürzte Zykluszeit bei geringerem Energieaufwand ergibt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Flugzeugbremsbelags durch Verdichten eines porösen ringförmigen Körpers durch Infiltrieren mit einer gasförmigen Verbindung, die bei thermischer Zersetzung einen leitfähigen festen Rückstand bildet, und thermische Zersetzung dieser Verbindung in den Poren des porösen Körpers, bei dem der poröse Körper elektrisch leitfähig ist und bei dem man a) innerhalb des porösen Körpers und sich darüber hinweg erstreckend mittels elektromagnetischer Induktion einen Temperaturgradienten mit einer Zone höherer Temperatur und einer Zone tieferer Temperatur aufbaut; b) durch Infiltrieren des porösen Körpers mit einem die thermisch zersetzbare Verbindung enthaltenden Gas überwiegend in der Zone höherer Temperatur des porösen Körpers einen festen leitfähigen Rückstand abscheidet und c) die Zone höherer Temperatur mit fortschreitender Abscheidung des festen Rückstands unter Aufrechterhaltung des Temperaturgradienten stetig zur Zone tieferer Temperatur verschiebt, indem man die verdichtete Zone elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz, die in die verdichtete Zone des porösen festen Körpers induktiv einkoppelt, aussetzt, bei dem man das Verfahren in einem Reaktor mit gekühlten Wänden durchführt und bei dem der poröse Körper um eine Wärmequelle mit einem Hochfrequenzrezeptor mit Aussparung zwischen dem porösen Körper und dem Rezeptor angebracht wird, wobei der Rezeptor mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz im Bereich von 60 Hz bis 1000 kHz induktiv gekoppelt ist, so daß die Innenseite des porösen Körpers der Wärmequelle und die Außenseite des porösen Körpers der gekühlten Reaktorwand ausgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der poröse ringförmige Körper mehrere nicht ringförmige poröse Körper, die miteinander in elektrischem Kontakt stehen, umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man als porösen Körper einen porösen Kohlenstoffkörper einsetzt .
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man als thermisch zersetzbare Verbindung einen Kohlenwasserstoff mit 1 bis etwa 8 Kohlenstoffatomen einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem man als thermisch zersetzbare Verbindung Methan einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem man als thermisch zersetzbare Verbindung Cyclopentan einsetzt.