DE69531552T2

DE69531552T2 - Schutzzusammensetzung sowie verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE69531552T2
Application number: DE69531552T
Authority: DE
Inventors: III Alexander LUKACS; Allen James JENSEN; Joseph Kurt BECKER
Original assignee: Kion Corp
Current assignee: Kion Corp
Priority date: 1994-11-07
Filing date: 1995-11-07
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2015-11-08
Also published as: WO1996014353A1; EP0791029A1; US5843526A; CA2199804A1; JPH10508637A; US6165551A; US5558908A; DE69531552D1; EP0791029B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft neue Verfahren zur Bildung von Zusammensetzungen, die unter anderem als Schutzbeschichtungen auf Oberflächen verwendet werden. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf Zusammensetzungen gerichtet, die von Polymeren abgeleitet sind, die Silicium-Stickstoff-Bindungen enthalten, wobei die Zusammensetzungen unter anderem eine wünschenswerte Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hydrolytische Stabilität aufweisen, wenn sie widrigen Umgebungen, gleichgültig ob bei Umgebungs- oder erhöhten Temperaturen, ausgesetzt werden und die beispielsweise als Schutzbeschichtungen auf Oberflächen brauchbar sein können.
Beträchtliche Anstrengungen wurden auf die Modifizierung der Eigenschaften von bekannten oder existierenden Materialien auf eine Weise gerichtet, die die Materialien zur Verwendung bei Umgebungen geeignet macht, die normalerweise solche Materialien nachteilig beeinflussen würden. Beispielsweise betrifft ein solcher modifizierender Ansatz im allgemeinen das Beschichten eines zweiten Materials mit Eigenschaften, die sich von dem darunter liegenden Substratmaterial unterscheiden, auf die Oberfläche eines Substratmaterials.
Für das Beschichten von Substratmaterialien gibt es verschiedene Verfahren. Eine erste Kategorie von Beschichtungsverfahren wird im allgemeinen als Überzugsbeschichtungen bezeichnet. Überzugsbeschichtungen umfassen typischerweise eine physische Abscheidung eines Beschichtungsmaterials auf ein Substrat. Das Beschichtungsmaterial erhöht die Leistung des Substrats, indem es beispielsweise die Erosionsbeständigkeit, die Korrosionsbeständigkeit, die Hochtemperaturfestigkeit usw. des Substratmaterials erhöht. Diese Überzugsbeschichtungen verlängern typischerweise die Standzeit des Substratmaterials und/oder gestatten die Verwendung des Substratmaterials in einer Reihe von Umgebungen, die normalerweise die Brauchbarkeit des Substratmaterials nachteilig beeinflussen und/oder zerstören können, falls die Anordnung der Überzugsbeschichtung darauf fehlt.
Üblicherweise verwendete Überzugsbeschichtungsverfahren umfassen Anstreichen, Eintauchen, Sprühen, Spinbeschichten, chemischen Dampfauftrag, Heißsprühen, physischen Dampfauftrag usw. Solche Verfahren wie Anstreichen, Eintauchen, Sprühen und Spinbeschichten sind für einen Durchschnittsfachmann als in großem Umfang anwendbare herkömmliche Beschichtungstechniken bekannt. Der chemische Dampfauftrag verwendet ein chemisches Verfahren, das zwischen gasförmigen Verbindungen stattfindet, wenn solche Verbindungen erhitzt werden. Der chemische Dampfauftrag findet so lange statt, wie die chemische Reaktion ein Feststoffmaterial erzeugt, das das Produkt der Reaktion zwischen den gasförmigen Verbindungen ist. Das chemische Dampfauftragsverfahren wird typischerweise in einer Reaktionskammer durchgeführt, in die sowohl ein reaktives Gas als auch ein Trägergas eingeleitet werden. Ein Substratmaterial wird in Kontakt mit dem Reaktant- und dem Trägergas gebracht, so daß die Reaktion zwischen den Gasen und die Abscheidung des Reaktionsfeststoffs auf der Oberfläche des Substrats stattfindet. Chemische Dampfauftragsverfahren umfassen typischerweise die Verwendung von korrosiven Gasen (z. B. Chloriden, Fluoriden usw.) in der Reaktionskammer, die ziemlich korrosiv sein können und sorgfältig gehandhabt werden müssen. Dementsprechend ist, obgleich chemische Dampfauftragsverfahren wünschenswerte Beschichtungen auf einigen Materialien erzeugen können, die Vorrichtung die verwendet wird, typischerweise in der Konstruktion kompliziert und im Betrieb teuer.
Es gibt auch Heißsprühtechniken für das Aufbringen einer Überzugsbeschichtung auf einem Substratmaterial. Die drei am verbreitetsten verwendeten Heißsprühtechniken umfassen Flammspritzen, Plasmaspritzen und Detonationsbeschichtung.
Beim Flammspritzen wird ein feines Pulver verwendet, das in einem gasförmigen Strom enthalten ist und das durch eine Verbrennungsflamme geleitet wird, um das feine Pulver zu schmelzen. Das geschmolzene Pulver wird dann veranlaßt, auf einer Oberfläche eines Substratmaterials aufzutreffen, das zu beschichten ist, wobei das Material typischerweise mit Bezug auf den Flammstrahl kalt ist. Das Binden der Beschichtung des flammgespritzten Materials an dem Substrat ist primär mechanisch. Die flammgespritzte Beschichtung ist üblicherweise nicht vollkommen dicht und wird so oft mittels eines Schmelzvorgangs nachbehandelt, um die Beschichtung zu verdichten.
Plasmaspritzen ist dem Flammspritzen etwas ähnlich mit der Ausnahme, daß ein feines Pulver statt durch eine intensive Verbrennungsflamme geleitet zu werden, durch ein elektrisches Plasma geleitet wird, das durch eine elektrische Hochstromentladung mit niedriger Spannung geleitet wird. Als Folge findet eine Disassoziierung und Ionisierung von Gasen statt, was zu einem Hochtemperaturplasma führt. Das Hochtemperaturplasma wird auf ein Substratmaterial gerichtet, was zu der Abscheidung einer Schicht von Beschichtungsmaterial auf dem Substrat führt.
Das Detonationsbeschichten ist ein Verfahren, das eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Flammspritzen mit der Ausnahme aufweist, das eine gewünschte Menge von Pulver mit hoher Geschwindigkeit (z. B. etwa 800 Meter pro Sekunde) auf die Oberfläche eines Substratmaterials, das zu beschichten ist, gerichtet wird. Während die Teilchen in einem heißen Gasstrom beschleunigt werden, schmelzen die Teilchen. Des weiteren führt die hohe kinetische Energie der Teilchen beim Auftreffen auf der Oberfläche eines Substratmaterials dazu, daß zusätzliche Hitze erzeugt wird, was den Beschichtungsprozeß unterstützt.
Der physische Dampfauftrag umfaßt beispielsweise Ionensputtern, Ionenplattieren und thermische Verdampfung.
Beim Ionenzerstäuben ist in einer Vakuumkammer eine Kathodenelektrode derart untergebracht, daß die Kathodenelektrode Atome und Atomcluster in Richtung auf ein Substratmaterial abgibt, was dazu führt, daß ein gesputterter Überzug oder eine gesputterte Beschichtung auf dem Substrat abgeschieden wird.
Das Ionenplattieren eines Substratmaterials umfaßt die Verwendung einer erhitzten Metallquelle, die Metallatome in Richtung auf ein zu beschichtendes Substratmaterial abgibt. Insbesondere wird ein Elektronenstrahl typischerweise verwendet, um die Metallatome aus der Metallquelle anzuregen. Die angeregten Metallatome werden dann in Richtung auf das zu beschichtende Substratmaterial gerichtet.
Die thermische Verdampfung beruht auch auf der Anregung von Atomen aus einer Metallquelle. Insbesondere wird in einer Vakuumkamer eine Metallquelle derart erhitzt, daß Metallatome aus der Metallquelle verdampfen und in Richtung auf ein zu beschichtendes Substratmaterial gerichtet werden. Die Metallatome werden dann als Beschichtung auf dem Substrat gesammelt.
Eine zweite allgemeine Kategorie von Beschichtungsbildungstechniken ist als Umwandlungsbeschichtungstechniken bekannt. Bei Umwandlungsbeschichtungstechniken wird ein Substratmaterial typischerweise an einer chemischen Reaktion beteiligt, die die Zusammensetzung und/oder Mikrostruktur der Substratoberfläche modifiziert. Diese Umwandlungsbeschichtungstechniken können auch zu einer wünschenswerten Oberflächenmorphologiemodifizierung von Substratmaterialien führen. Typische Beispiele von Umwandlungsbeschichtungstechniken umfassen Einbettungsoberflächenhärtung und Aufschlämmungsoberflä chenhärtung Beispiele von spezifischen Umwandlunasbeschichtungszusammensetzungen, die auf Substrate aufgebracht werden können, sind Umwandlungsbeschichtungstechniken, die als Chromatieren und Aluminieren bezeichnet werden, wodurch eine Beschichtungszusammensetzung, die solche Materialien wie Chrom oder Aluminium umfaßt, auf eine Oberfläche eines Substrats aufgebracht wird und mit dem Substrat durch beispielsweise Erhitzen usw. umgesetzt wird.
Einbettungsoberflächenhärtung und Aufschlämmungsoberflächenhärtung verwenden die Diffusion von einem oder mehreren Materialien zur Bildung einer Oberflächenbeschichtung. Insbesondere wird bei jedem dieser Verfahren ein Substratmaterial mit einem Metallquellenmaterial derart kontaktiert, daß ein Metall von dem Metallquellenmaterial in das Substratmaterial eindiffundieren kann und/oder eine Komponente des Substratmaterials in Richtung auf das Metallquellenmaterial diffundieren kann. Insbesondere wird beispielsweise beim Einbettungsoberflächenhärten ein Substratmaterial innerhalb einer Pulvermischung, die typischerweise sowohl ein Metall, das mit dem Substratmaterial reagieren soll, als auch ein inertes Material umfaßt, eingebettet. Ein Trägergas wird dann dazu gebracht, in die Pulvermischung zu strömen, so daß das Trägergas Metallatome von dem Metallpulver zu der Oberfläche des Substrats tragen und die Metallatome darauf abscheiden kann. Beim Aufschlämmungsoberflächenhärten wird eine Zusammensetzung typischerweise auf eine Oberfläche eines Substratmaterials vor dem Durchführen des Diffusionsvorgangs aufgebracht. Sowohl das Einbettungsoberflächenhärten als auch das Aufschlämmungsoberflächenhärten finden typischerweise in einem Retorten- oder Vakuumofen bei erhöhten Temperaturen statt, und das Trägergas ist frei, um Metallatome von dem Metallpulver auf die Oberfläche des Substratmaterials zu transportieren. Typische Trägergase umfassen die Halogengase. Es wurden viele unterschiedliche Ansätze bezüglich des Einbettungsoberflächenhärtens gemacht, jedoch werden bei den meisten dieser Ansätze die vorstehend erörterten Schritte angewandt.
Umwandlungsbeschichtungstechniken wurden auch unter Verwendung von anderen Ausgangsmaterialien als den vorstehend mit Bezug auf das Einbettungsoberflächenhärten und das Aufschlämmungsoberflächenhärten erörterten Materialien durchgeführt. Es wurde auch gezeigt, daß Materialien wie organische Harze und Polymere wirksame Beschichtungen gegen beispielsweise Oxidation und Korrosion unter spezifizierten Umweltbedingungen schaffen.
Keramische Schutzbeschichtungen auf beispielsweise Kohlenstoff-/Kohlenstoff-Verbundmaterialien, Graphit, Kohlenstoffasern und anderen oxidierbaren Materialien, die aus vorkeramischen Polymeren gebildet sind, die bei Erhitzen zu Keramik umgewandelt werden können, wurden beschrieben. Das US-Patent Nr. 5,198,488 (Patent '488), im Namen von Leonard M. Niebylski ist auf die Herstellung von vorkeramischen Zusammensetzungen gerichtet, die verwendet werden können, um unter anderen Anwendungen oxidationsbeständige Beschichtungen auf Kohlenstoff-/Kohlenstoff-Verbundkörper, Graphit, Kohlenstoffasern und anderen normalerweise oxidierbaren Materialien zu schaffen, indem etwa 0,1 bis 4 Gewichtsteile Silciumborid in einem Gewichtsteil eines Polysilazans in Lösung in einem organischen Lösungsmittel dispergiert werden. Die vorkeramischen Zusammensetzungen werden auf die oxidierbaren Materialien beschichtet und auf Temperaturen von etwa 675°C bis 900°C erhitzt, um die vorkeramischen Zusammensetzungen zu keramischen Beschichtungen zu pyrolysieren. Das Patent '488 lehrt auch, daß für einen Oxidationsschutz bei hoher Temperatur (d. h. höher als 800°C) auf den Pyrolyseschritt eine Wärmebehandlung des beschichteten Substrats bei etwa 1075 bis 1250°C in einer Atmosphäre folgt, die nicht mehr als eine. geringe Menge Sauerstoff enthält.
Das US-Patent Nr. 5,196,059 (Patent '059), auch im Namen von Niebylski, ist auf vorkeramische Zusammensetzungen gerichtet, die unter anderen Anwendungen verwendet werden, um wärme-, abriebs- und oxidationsbeständige keramische Beschichtungen zu schaffen, die hergestellt werden durch das Dispergieren von etwa 0 bis 3 Gewichtsteilen Aluminium-Silicium-Eutektikum, etwa 0 bis 4 Gewichtsteilen Siliciumcarbid, etwa 1,5 bis 5 Gewichtsteilen Siliciumborid und etwa 0,4 bis 5 Gewichtsteilen Siliciummetall in einer Lösung von einem Gewichtsteil eines Polysilazans in einem organischen Lösungsmittel. Die Bildung der keramischen Beschichtungen in dem Patent '059 ist im wesentlichen wie vorstehend mit Bezug auf das Patent '488 angegeben.
Das US-Patent Nr. 5,194,338 (Patent '338), auch im Namen von Niebylski, ist auf vorkeramische Zusammensetzungen gerichtet, die unter anderen Anwendungen verwendet werden, um keramische Schutzbeschichtungen auf normalerweise oxidierbaren Materialien zu schaffen, die hergestellt werden durch Dispergieren von etwa 0,4 bis 3,0 Gewichtsteilen eines keramischen Pulvers, ausgewählt aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Mischungen davon miteinander und/oder mit bis zu etwa 90 Gew.-% (1) eines Metallborids oder (2) einer Mischung eines Metallborids und eines Zirconiummetalls in einem Gewichtsteil eines Silazans. Die Bildung der keramischen Beschichtungen im Patent '338 ist im wesentlichen wie vorstehend unter Bezugnahme auf das Patent '488 angegeben.
Das US-Patent Nr. 5,258,224, im Namen von Conrad J. Langlois, Jr., et al., ist auf vorkeramische Zusammensetzungen gerichtet, die brauchbar sind, um keramische Schutzbeschichtungen auf normalerweise oxidierbaren Materialien zu Schaffen, wobei die Beschichtungszusammensetzungen erhalten werden durch Dispergieren von Feststoffteilchen, die Aluminiumnitridteilchen in einer organischen Lösungsmittellösung eines Polysilazans enthalten. Keramische Beschichtungen, die von solchen Dispersionen abgeleitet sind, können als Zwischenschichten bei keramischen Mehrschichtenbeschichtungen über Substraten wie Kohlenstoff-/Kohlenstoff-Substraten dienen, um solche Substrate zu schützen, selbst wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt werden.
Das EP-A-0 382 476 beschreibt eine vorkeramische Zusammensetzung, die Boroxinverbindungen wie dort auf Seite 2, Zeilen 30 bis 40 beschrieben, sowie Polycarbosilan oder Polysiloxazan enthält. Boroxinverbindungen enthalten kein ausgedehntes Netzwerk an Bor-Bor-Bindungen. Sie sind keine teilchenförmigen Feststoffe.
Die vorstehend erörterten Beschichtungszusammensetzungen und -techniken wurden hier kurz angesprochen, um dem Leser ein allgemeines Verständnis der technischen Gebiets zu vermitteln. Es ist jedoch zu beachten, daß es spezifische Abänderungen der vorstehend erörterten Zusammensetzungen und Techniken gibt. Insbesondere wird jede der vorstehend erörterten Beschichtungszusammensetzungen und/oder -verfahren detailliert in leicht verfügbaren Quellen, einschließlich Lehrbüchern, Konferenzberichten und Patenten erörtert. Bezüglich weiterer Informationen, die sich auf die Einzelheiten dieser Verfahren beziehen, wird der Leser ermutigt, in der vorstehend angegebenen Literatur nachzuschlagen. Es sollte jedoch aus den vorstehenden kurzen Erörterungen klar sein, daß jede der Techniken verschiedene Einschränkungen hat. Beispielsweise stellt bei den Überzugsbeschichtungstechniken die physische Abscheidung einer Beschichtung auf einem Substratmaterial keine akzeptable Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Beschichtung sicher. Insbesondere kann, da sich die meisten Überzugsbeschichtungstechniken einfach auf die Verwendung einer physischen Bindung zwischen der Beschichtung und dem Substrat verlassen, die Beschichtung nicht ausreichend an dem Substrat anhaften. Dementsprechend kann der Zweck der Beschichtung vollständig gefährdet sein. Des weiteren hängen die Überzugsbeschichtungsverfahren typischerweise von der Verwendung einer etwas komplexen Abscheidungsvorrichtung ab. Beispielsweise erfordert der chemische Dampfauftrag die Verwendung von relativ komplizierten Steuereinrichtungen zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit der reaktiven und Trägergase in einer Reaktionskammer, die Fähigkeit, korrosive Gase (z. B. Fluoride, Chloride) zu handhaben, usw.
Des weiteren können mit Bezug auf die sogenannten Umwandlungsbeschichtungstechniken, die beispielsweise durch Einbettungsoberflächenhärten und Aufschlämmungsoberflächenhärten gebildet werden, die auf Substratmaterialien erzielten Beschichtungen aufgrund des Einschlusses von Feststoffmaterialien oder Porosität nicht gleichmäßig sein, die sich aus dem Aussetzen des Substrats an die Pulvermetallquelle und/oder die inerten Materialien, die bei den Einbettungsoberflächenhärtungs- oder Aufschlämmungsoberflächenhärtungsverfahren verwendet werden, resultieren. Des weiteren können viele der Einbettungsoberflächenhärtungs- und Aufschlämmungsoberflächenhärtungstechniken die Verwendung von einer etwas komplexen Vorrichtung erfordern.
Des weiteren ist im Hinblick auf die im Zusammenhang mit den vorkeramischen Zusammensetzungen von Niebylski erörterten Techniken zu beachten, daß diese Techniken die Verwendung von spezifischen gesteuerten Atmosphären verlangen, um die wünschenswerte Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen zu erhalten, was so die Verwendung von einer etwas komplexen Vorrichtung erfordert. Des weiteren lehrt Langlois, Jr., et al. die Verwendung von spezifizierten Zwischenschichtzusammensetzungen bei keramischen Mehrschichtenbeschichtungen, um den Schutz der Substrate zu verbessern. Die Verwendung solcher Mehrzusammensetzungsschichten innerhalb der Beschichtungen erhöht nicht nur die Kosten der Herstellung solcher Beschichtungen, sondern führt auch das Potential der Inkompatibilität der Beschichtungschichten aufgrund von beispielsweise einem Nichtzusammenpassen des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Schichten usw. ein.
Dementsprechend bestand seit langem ein Bedarf an Zusammensetzungen, die verwendet werden können, um den Schutz gegen beispielsweise Oxidation, Hydrolyse usw. ohne das Erfordernis teurer und/oder komplexer Verfahren zu verbessern, wenn sie auf oxidierbare Substrate aufgebracht werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft neue Verfahren zur Bildung von Zusammensetzungen, die unter anderem als Schutzschichten auf Oberflächen verwendet werden können. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindungen Zusammensetzungen, die von Polymeren abgeleitet sind, die Silicium-Stickstoff-Bindungen enthalten, wobei die Zusammensetzungen unter anderem eine wünschenswerte Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hydrolytische Stabilität aufweisen, wenn sie ungünstigen Umgebungen ausgesetzt werden, gleichgültig ob bei Umgebungs- oder erhöhten Temperaturen, und die beispielsweise als Schutzbeschichtungen auf Oberflächen brauchbar sein können.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Zusammensetzung zunächst durch Mischen von wenigstens einer Borquelle, die ein ausgedehntes Netzwerk an Bor-Bor-Bindungen enthält, und wenigstens einem Polymer, das Silicium-Stickstoff-Bindungen enthält, hergestellt. Die Zusammensetzung wird dann der Einführung von Energie, wie mittels Erhitzen usw., in Gegenwart wenigstens eines Oxidationsmittels, das kein Peroxid ist, unterworfen. Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff "Oxidationsmittel" einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptoren oder Elektronenmitbenutzer und kann ein Element, eine Kombination von Elementen, eine Verbindung oder eine Kombination von Verbindungen, einschließlich reduzierbarer Verbindungen sein und kann unter den Verfahrensbedingungen dampfförmig, flüssig oder fest oder eine Kombination hiervon sein. Ohne durch eine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden sein zu wollen, wird angenommen, daß wenn das wenigstens eine Oxidationsmittel Sauerstoff umfaßt, der Sauerstoff aus dem Oxidationsmittel der Zusammensetzung chemisch einverleibt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Zusammensetzung aus einer Schutzbeschichtung auf wenigstens einem Teil von wenigstens einem Substrat verwendet wird, wird das wenigstens eine beschichtete Substrat Erhitzen entweder während des oder nach dem Beschichtungsvorgang(s) in Gegenwart von wenigstens einem Oxidationsmittel unterzogen, wobei ein solches Erhitzen bei einer ausreichenden Temperatur und während eines ausreichenden Zeitraums stattfindet, um zumindest eine gewisse chemische Reaktion der Zusammensetzung mit wenigstens dem wenigstens einen Substrat zur Bildung einer chemisch gebundenen Schutzbeschichtung darauf zu gestatten. Die chemische Reaktion, die stattfindet, kann zu einer Bindungszone führen, die nur auf einem molekularen Niveau vorhanden sein kann (d. h. Reaktion eines einzigen Atoms an der Grenzfläche zwischen Substrat und Beschichtung) oder sich wenigstens teilweise durch die Beschichtung erstrecken kann. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das wenigstens eine beschichtete Substrat in Luft bei einer Temperatur von wenigstens 250°C und bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform von wenigstens 400°C während, eines Zeitraums erhitzt, der ausreicht, um die Schutzbeschichtung auszubilden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann eine mechanische Bindung der Beschichtung mit wenigstens einem Teil des Substrats stattfinden. Alternativ kann eine gewisse Kombination der chemischen Reaktion und der mechanischen Bindung stattfinden. Die sich ergebende Beschichtung umfaßt eine hoch haftende Zusammensetzung, die unter anderem eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hydrolytische Stabilität aufweist, wenn sie solchen Umgebungen ausgesetzt wird.
Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Beschichtungen, die mehrere Schichten von Schutzzusammensetzungen aufweisen, gebildet werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Beschichtung, die eine erste Schicht und wenigstens eine folgende Schicht auf wenigstens einem Substratmaterial umfaßt, umfaßt folgende Schritte:
Kombinieren von wenigstens einem als Borquelle dienenden Material mit einem ausgedehnten Netzwerk an Bor-Bor-Bindungen und wenigstens einem Polymer, das Silicium-Stickstoff-Bindungen aufweist, um eine erste Mischung zu bilden;
Anordnen der ersten Mischung auf wenigstens einem Teil von wenigstens einem Substrat zur Bildung einer ersten Schicht auf dem wenigstens einen Substrat;
Kombinieren von wenigstens einem zweiten als Borquelle dienenden Material mit einem ausgedehnten Netzwerk an Bor-Bor-Bindungen und wenigstens einem zweiten Polymer, das wenigstens einige Silicium-Stickstoff-Bindungen aufweist, um wenigstens eine folgende Mischung zu bilden;
Anordnen der wenigstens einen folgenden Mischung über wenigstens einem Teil der ersten Schicht zur Bildung wenigstens einer folgenden Schicht auf dem wenigstens einen Substrat;
Erhitzen des wenigstens einen Substratmaterials mit der darauf befindlichen ersten Schicht und der wenigstens einen folgenden Schicht in Gegenwart von wenigstens einem Oxidationsmittel, um die erste Mischung und die wenigstens eine folgende Mischung zum Reagieren zu bringen, um die Beschichtung zu bilden. In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform kann das Substrat in Gegenwart wenigstens eines Oxidationsmittels vor dem Aufbringen von wenigstens einer der wenigstens einen folgenden Schicht erhitzt werden.
In Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung kann die Zusammensetzung der einen Schicht innerhalb der Beschichtung im wesentlichen gleich der oder im wesentlichen unterschiedlich zu der Zusammensetzung der wenigstens einen benachbarten Schicht sein. Des weiteren kann die Dicke der Beschichtungsschichten maßgeschneidert werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Individuelle Beschichtungsschichtdicken können beträchtlich in Abhängigkeit von der spezifischen gewünschten Anwendung variieren; typische Beschichtungsschichtdicken liegen jedoch im Bereich von etwa 0,001 mm bis etwa 0,5 mm und am meisten bevorzugt im Bereich von etwa 0,025 mm bis etwa 0,1 mm. Des weiteren kann in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung die Dicke einer gegebenen Beschichtungsschicht in einem Bereich mit Bezug auf einen anderen Bereich variieren.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Zusammensetzung wenigstens ein Füllstoffmaterial in wenigstens einem Teil davon umfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar und die Wahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren wie den für die Bildung der Zusammensetzung verwendeten Ausgangsmaterialien, den für die endgültige Zusammensetzung gewünschten Eigenschaften, den Verarbeitungsbedingungen, den Substratzusammensetzungen usw. ab.
Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen können bei einer beliebigen Anzahl von Anwendungen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, zusammenhängende Körper wie dreidimensionale Gegenstände, Tafeln oder dergleichen, Schutzbeschichtungen, Klebemittel, Dichtungsmittel, Bindemittel sowie bei jeder anderen Anwendung, die von einem Fachmann ins Auge gefaßt wird, verwendet werden.
Polymere, die für die Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen Polymere, die wenigstens einige sich wiederholende Struktureinheiten umfassen, die wenig steps einige Silicium-Stickstoff-Bindungen aufweisen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff "Polymer" Verbindungen, die wenigstens etwa 10 sich wiederholende Struktureinheiten aufweisen. Besonders bevorzugte Polymere für das erfindungsgemäße Verfahren umfassen diejenigen Polymere, bei denen wenigstens etwa 50 Prozent der sich wiederholenden Struktureinheiten Silicium-Stickstoff-Bindungen aufweisen. Die Polymere haben vorzugsweise einen niedrigen Dampfdruck bei Temperaturen unter 400°C, um die Retention und Reaktion zwischen wenigstens der Borquelle und dem darunterliegenden Substrat in Gegenwart von wenigstens einem Oxidationsmittel zu ermöglichen. Des weiteren umfassen die erfindungsgemäßen bevorzugten Polymere schmelzbare Polymere, um die Aufbringung als Beschichtung zu erleichtern. Die Polymere sollten vorzugsweise Polymere umfassen, die sich bei Einführung von Energie wie beispielsweise durch Hitzehärten beim Erhitzen vernetzen. Der Begriff "hitzehärtbarer Kunststoff" bedeutet die Entwicklung einer formstabilisierten Struktur durch die Anwendung von Hitze. Eine solche Struktur wird typischerweise durch die Entwicklung eines ausgedehnten Netzwerks von chemischen Vernetzungsstellen zwischen Polymerketten erzielt. Polysilazane, Polyharnstoffsilazane und Polythioharnstoffsilazane sind für solche hitzehärtbaren Polymere repräsentativ. Am meisten für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt sind Polyharnstoffsilazanzusammensetzungen, die des weiteren Stellen der Organonichtsättigung aufweisen, wie Alkenyl- oder Alkynylgruppen, die mit starren, festen Materialien durch Hitzehärten oder andere vergleichbare Mittel vernetzt werden können. Solche Beschichtungszusammensetzungen können wahlweise Radikalerzeuger umfassen, um das Vernetzen zu unterstützen.
Bvorzugte Polymere zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfassen flüssige Polymere, die wenigstens teilweise unter Verwendung einer Energiezufuhr wie Hitze oder UV-Strahlung vernetzt werden können. Besonders bevorzugte Polymere umfassen flüssige Polysilazane und Polyharnstoffsi lazane, die mit Feststoffmaterialien durch die Anwendung einer Energiezufuhr vernetzt werden können, wie diejenigen Polymerzusammensetzungen, die in den US-Patenten Nr. 4,929,704, 5,001,090 und 5,021,533, alle im Namen von Joanne M. Schwark, beschrieben sind. Andere besonders bevorzugte Polymere umfassen diejenigen Polymerzusammensetzungen, die in dem US-Patent Nr. 4,722,988, im Namen von Porte et al., und dem US-Patent Nr. 4,689,252, im Namen von LeBrun et al., beschrieben sind.
Feststoffpolymere können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, indem ein Lösungsmittel der Zusammensetzung zugegeben wird oder durch Zurverfügungstellen als Schmelze. Bevorzugte Lösungsmittel umfassen typischerweise organische Lösungsmittel, die im wesentlichen mit dem Polymer reaktionsunfähig sind. Während die Wahl der Lösungsmittel von der genauen chemischen Zusammensetzung der verwendeten Polymere abhängt und von einem Fachmann leicht festgelegt werden kann, können brauchbare Lösungsmittel beispielsweise Kohlenwasserstofflösungsmittel wie Hexan, Heptan, Toluol und Xylol, Ether wie Diethylether und Tetrahydrofuran oder halogenierte Lösungsmittel wie Chlorbenzol oder Tetrachlorethan umfassen. Lösungsmittel, die Sauerstoff enthalten, können unter bestimmten Bedingungen als Oxidationsmittel entweder allein oder in Kombination mit wenigstens einem zusätzlichen Oxidationsmittel wirken, um die Reaktion zur Bildung der Schutzzusammensetzung zu unterstützen. Des weiteren können Lösungsmittel, die Sauerstoff enthalten, mit dem Polymer bei Raumtemperatur reaktionsfähig oder reaktionsunfähig sein. So können Alkohole wie Methanol, Ethanol und Isopropanol, die in wünschenswerter Weise mit Polysilazanen bei Raumtemperatur reagieren, verwendet werden. In Abhängigkeit von dem gewählten System können in bestimmten Fällen die Rheologie und Beschichtungsfähigkeit der Zusammensetzung durch das Lösungsmittel beeinflußt werden. Des weiteren können mit Sauerstoff gesättigte Lösungsmittel, die mit dem Polysilazan bei Raumtemperatur nicht oder nur mini mal reagieren, die jedoch mit dem Polysilazan bei erhöhten Temperaturen reagieren, verwendet werden. Solche mit Sauerstoff angereicherte Lösungsmittel umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Ketone wie Aceton oder Methylethylketon und Ester wie Dimethyladipat.
Borquellen zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weisen ein ausgedehntes Netzwerk an Bor-Bor-Bindungen auf. So sollte die Anzahl der sequentiellen Bor-an-Bor-Bindungen in der Borquelle eins übersteigen., um solch ein ausgedehntes Netzwerk zu erzielen. Repräsentative Strukturen von Bor-Bor-Bindungsnetzwerken umfassen bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung Ketten-, Tafel- und dreidimensionale Käfigstrukturen. Tafel- und Käfigstrukturen sind bevorzugte Ausführungsformen zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung, während Käfigstrukturen besonders bevorzugte Ausführungsformen sind. Beispiele von Käfigstrukturen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, kristalline Polymorphe von Bor- und Metallboriden, die die ikosaedrische Borstruktur aufweisen, einschließlich beispielsweise α-rhomboedrische B₁₂-, β-rhomboedrische B₁₀₅- und tetragonale B₅₀-Strukturen. Während nicht gewünscht wird, durch irgendeine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden zu sein, wird angenommen, daß ein wichtiges Merkmal bei der Verwendung der Käfigstrukturen das oxidative Verhalten solcher Strukturen ist. Es wurde beobachtet, daß diese Strukturen, die reich an Bor sind, insbesondere im Fall der ikosaedrischen Komponenten, mit der vollständigen Retention der ikosaedrischen Borkäfigstrukturen oxidieren, um Verbindungen zu bilden, die Suboxide von Bor, statt stöchiometrisches B₂O₃ enthalten. Suboxidverbindungen wie beispielsweise B₁₂·OBO sind typischerweise sehr feuerfeste Materialien mit ausgezeichneten Eigenschaften, einschließlich ausgezeichneter Härte, Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit usw. So führt die Verwendung von Borquellen, die ausgedehnte Netzwerke an Bor-Bor-Bindungen aufweisen, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Zusammensetzungen, die wünschenswerte Schutz eigenschaften bei hohen Temperaturen für die Substrate liefern, auf die sie beschichtet werden können.
Borquellen, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, können entweder schmelzbare. Borquellen oder nicht schmelzbare Borquellen umfassen. Beispiele schmelzbarer Borquellen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Borane, Carborane und borenthaltende Polymere, die entweder Flüssigkeiten oder schmelzbare oder lösungsmittellösliche Feststoffe sind. Beispiele von nicht schmelzbaren Borquellen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf teilchenförmige oder plattenförmige, anorganische Borverbindungen wie Metallboride usw. Die Borquellen weisen vorzugsweise niedrige Dampfdrücke bei Temperaturen von oder unter etwa 400°C auf, um die Retention und Reaktion mit dem Silicium-Stickstoff-Polymer, dem wenigstens einen Oxidationsmittel und dem darunterliegenden Substrat zu ermöglichen. Beispiele von Borquellen, die zur Verwendung bei dieser Erfindung brauchbar sind, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Borcarbid, Siliciumborid, einschließlich Siliciumhexaborid und Siliciumtetraborid, Boride von Übergangsmetallen, die Lanthanidreihe, Erdalkali- oder Seltenerdmetalle und andere Boride wie sie in der nachstehenden Tabelle I angegeben sind, die von Tabelle 24.3 der Structural Inorganic Chemistry (1984, Wells, A. F., Oxford Science Publications, 5. Ausgabe, Seite 1053) abgeleitet ist.
TABELLE I Typische Kristallstrukturen einiger Metallboride
Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungen können etwa 5 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% der Gesamtmischung der Borquelle verwendet werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis der Borquelle etwa 10 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% der Gesamtmischung. Das Polymer, das Silicium-Stickstoff-Bindungen aufweist, kann vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 5 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% der Gesamtmischung enthalten sein. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform können etwa 20 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% der Gesamtmischung des Silicium-Stickstoff-Polymers verwendet werden. Des weiteren kann die Menge des verwendeten Silicium-Stickstoff-Polymers maßgeschneidert werden, um eine gewünschte Konsistenz der Zusammensetzung zu erzielen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Zusammensetzung wenigstens ein Füllstoffmaterial in wenigstens einem Teil davon aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar, und die Wahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren wie den zur Bildung der Zusammensetzung verwendeten Ausgangsmaterialien, den für die endgültige Zusammensetzung gewünschten Eigenschaften, den Verarbeitungsbedingungen, den Substratzusammensetzungen usw. ab. Für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignete Füllstoffe umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, solche Materialien wie Keramiken, Gläser, Metalle, organische und anorganische Monomere, Oligomere und Polymere, Hybridpolymere und Mischungen davon, wobei die Füllstoffe mit der Zusammensetzung reagieren oder nicht reagieren können. Repräsentative Keramiken umfassen Oxide, Carbide, Boride, Nitride und Silicide, wie beispielsweise Magnesiumoxide, Aluminiumoxide, Chromoxide, Titanoxide, Zirconiumoxide, Titannitride, Bornitride, Siliciumnitride, Siliciumcarbide, Titancarbide, Zirconiumcarbide, Chromcarbide, Titanboride, Zirconiumboride, Titansilicide und Molybdänsilicide. Repräsentative Metallfüllstoffe, die für die Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Nickel, Aluminium, Zink, Chrom, Stahl, nichrostenden Stahl und Metallegierungen wie Legierungen auf der Basis von Nickel, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Incoloy, INCONEL^® und HASTELLOY^®. Organische und anorganische Füllstoffe, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, können aufweisen, sind jedoch nicht beschränkt auf, solche Füllstoffe wie Kohlenstoff, Oligomere und Polymere von organischen Verbindungen wie Urethanen, Epoxyharzen, Imiden, Amiden, Estern, Carbamaten, Carbonaten, Phenolen, Silanen, Siloxanen, Silazanen, Phosphazenen, Alazanen und Borazinen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform können polymere Füllstoffe Fluorpolymere wie Polytetrafluorethylen, Polyvinylidinfluorid, fluoriertes Ethylen-Propylen und Perfluoralkoxypolymer umfassen. Repräsentative Hybridpolymere, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Füllstoff verwendet werden können, umfassen diejenigen Hybridpolymere, die wenigstens ein organisches Elektrophil und wenigstens ein metallenthaltendes Polymer enthalten, wie in der PCT-Veröffentlichung Nr. WO 95/12630 im Namen von Becker et al. beschrieben.
Füllstoffe können in einer großen Vielzahl von Formen und Größen wie als Pulver, Teilchen, Flocken, Plättchen, Kügelchen und Mikrokügelchen (sowohl hohl als auch massiv), Einkristallfäden, Blasen, kontinuierliche Fasern, Garne oder Towgarne, zerhackte Fasern, Einkristallfäden, Fasermatten, dreidimensionale gewebte Strukturen oder dergleichen und Kombinationen davon vorgesehen werden. Des weiteren können Füllstoffe vorzugsweise in einer Menge von etwa 1 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% der Gesamtzusammensetzung, und am meisten bevorzugt von etwa 10 Vol.-% bis etwa 50 Vol.-% der Gesamtmischung, vorgesehen werden.
Die Verwendung von Füllstoffmaterialien mit unterschiedlichen Geometrien, Volumenprozentsätzen und Zusammensetzungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zusammen mit der Fähigkeit, die Zusammensetzung selbst maßzuschneidern, gestattet es, die Eigenschaften der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Zusammensetzungen maßzuschneidern, um eine praktisch unbegrenzte Anzahl von möglichen Kombinationen der Eigenschaften zu erzielen. Beispielsweise kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Bildung einer Schutzbeschichtung auf einem Substrat die Zusammensetzung maßgeschneidert werden, um wenigstens einen Füllstoff aufzuweisen, der derart ausgewählt ist, daß er eine Beschichtung liefert, die einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem des zu beschichtenden Substrats hat. Das Anpassen des Wärmeausdehnungskoeffizienten sorgt für die Beibehaltung der Beschich tungsintegrität während der zyklischen Wärmebeanspruchung und verhindert ein Absplittern der Beschichtung aufgrund von Spannungen die während des Abkühlens auferlegt werden. Des weiteren wird bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn wenigstens ein Füllstoff, der Flocken umfaßt wie beispielsweise Flocken aus nichtrostendem Stahl der Blattqualität, der auf ein Substrat als Schutzschicht zu beschichtenden Zusammensetzung einverleibt wird, eine Abdichtung aus sich überlappenden Flocken aus nichtrostendem Stahl erzielt, was unter anderem für eine verbesserte Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit sorgt. Des weiteren wird angenommen, obgleich nicht gewünscht ist, durch eine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden zu sein, daß die sich überlappende Art des Füllstoffmaterials in der Form von Flocken einen zusätzlichen Schutz bei Aussetzen an eine unerwünschte Umgebung liefert, in dem sie beispielsweise einen gewundener Weg schafft, den irgendeine unerwünschte Umgebung, die imstande ist, die Beschichtungszusammensetzung zu durchdringen, durchqueren muß, bevor sie das Substrat erreicht. Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann die Zugabe von keramischen Füllstoffzusammensetzungen wie beispielsweise Siliciumcarbidfüllstoff zu der Zusammensetzung unter anderem die Abriebsbeständigkeit der Substratoberfläche erhöhen.
Die zur Bildung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen verwendeten Größen und Geometrien können in Abhängigkeit von der gewünschten endgültigen Zusammensetzung beträchtlich variieren. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sollte die Teilchengröße jeglicher Teilchen, die in der Mischung vorhanden sein können (z. B. Borquelle, Füllstoff usw.), im Bereich von etwa 0,1 μm bis 100 μm, und am meisten bevorzugt von 0,1 μm bis 10 μm liegen. Des weiteren können wie vorstehend erörtert die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen entweder homogen oder heterogen in Abhängigkeit von den gewünschten endgültigen Eigenschaften usw. der Zusammensetzungen sein. Wenn eine homogene Zusammensetzung für eine gegebene Zusammensetzung gewünscht wird, kann die Zusammensetzung auf eine Weise bearbeitet werden, die ausreicht, um eine solche homogene Mischung unter Verwendung irgendeiner Technik, z. B. mittels Mahlens usw. sicherzustellen, was für einen Fachmann offensichtlich ist.
Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen können in irgendeiner Reihe von Anwendungen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, zusammenhängende Körper, wie dreidimensionale Gegenstände, Tafeln oder dergleichen, Schutzüberzüge, Klebemittel, Dichtungsmittel, Bindemittel sowie alle anderen von einem Fachmann ins Auge gefaßten Anwendungen verwendet werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung als Schutzbeschichtungen auf einer Vielzahl von Substratmaterialien verwendet werden. Substrate, die für die Beschichtung durch das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Metalle, Metallegierungen, Metallmatrixverbundmaterialien, intermetallische Verbindungen, Mineralstoffe, Kohlenstoff, organische und anorganische Oligomere und Polymere, Hybridpolymere, Gläser, Keramiken, Keramikverbundmaterialien und dergleichen. Die Geometrien der Substrate, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen beschichtet werden können, können umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, zusammenhängende Körper, Pulver, Teilchen, kontinuierliche Fasern, Garne oder Towgarne, zerhackte Fasern, Einkristallfäden, Fasermatten, dreidimensionale gewebte Strukturen oder dergleichen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Substrate wenigstens teilweise oxidierbare Substrate umfassen und am meisten bevorzugt Substrate, bei denen Sauerstoff zur Bildung von stabilen, nichtflüchtigen Oxiden enthalten sein kann. Für die oxidierbaren Substrate, die bei der Durchfüh rung der vorliegenden Erfindung besonders brauchbar sind, sind eisenhaltige Metalle wie Gußeisen, Flußstahl und nichtrostender Stahl sowie Nichteisenmetalle wie Aluminium und Aluminium-Silicium-Legierungen repräsentativ. Verbindungen sind auch brauchbar, die zur Bildung von Metalloxid oxidieren können, das Zusammensetzungen aufweist, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Metallboride, Metallnitride, Metallcarbide, Metallsulfide und Metallphosphide, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Substrate wie Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Titannitrid, Aluminiumnitrid und Titandiborid.
Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen sind zur Beschichtung auf Oberflächen von Substraten ohne das Erfordernis einer speziellen Substratoberflächenvorbereitung geeignet. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wurde unerwarteterweise beobachtet, daß bei einigen oxidierbaren Metallen wie eisenhaltigen Metallen die Behandlung der Substratoberfläche wie das Reinigen oder Oxidieren der Oberfläche, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren typischerweise nicht erforderlich ist. Ohne durch eine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden sein zu wollen wird angenommen, daß eine solche Oberflächenbehandlung aufgrund der Anwesenheit von sauerstoffenthaltenden Gruppen, wie Hydroxylgruppen oder dergleichen, die die Bildung von Beschichtungen verbessern, auf wenigstens einem Teil der nativen Substratoberflächen, nicht erforderlich ist; dieses erfindungsgemäße Merkmal ist besonders brauchbar, wenn Beschichtungsflächen wenigstens etwas Rost oder dergleichen enthalten. Dieses neue Merkmal ist angesichts der Lehren der Beschichtungstechniken des Stands der Technik besonders unerwartet, wo eine Oberflächenvorbereitung für die Haftung der Beschichtung entscheidend sein kann. Falls jedoch bei einer gegebenen Ausführungsform erwünscht, können die Substratoberflächen durch irgendeine einer Anzahl von Techniken modifiziert werden, um die Beschichtung zu verbessern. Physische Mittel, wie Sandstrahlen und Stahlsandstrahlen oder chemische Oxidation, die durch Ätzen der Oberfläche mit einer anorganischen Säure wie Phosphorsäure oder Chromsäure und/oder Anodisieren bewirkt werden können, sind geeignete Verfahren zur Modifizierung von Substratoberflächen, deren Auswahl von dem bestimmten Substrat abhängen kann. Alternativ kann Luftoxidation zum Vorbereiten des Substrats für die Beschichtung verwendet werden.
Das Aufbringen einer Schutzzusammensestzung auf wenigstens einem Teil der wenigstens einen Substratoberfläche kann durch irgendeine Reihe von herkömmlichen Verfahren bewirkt werden. Beispiele von bevorzugten Techniken umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Bürstenbeschichten, Sprühbeschichten, Tauchbeschichten und dergleichen. Beispielsweise können bei einer bevorzugten Ausführungsform Beschichtungszusammensetzungen, die ein schmelzbares Polymer enthalten, durch Eintauchen des Substrats in eine Schmelze aufgebracht werden. Des weiteren können flüssige Zusammensetzungen, die entweder ein Lösungsmittel oder ein flüssiges Metall-Stickstoff-Polymer enthalten, beispielsweise durch Bürst-, Tauch- oder Sprühtechniken aufgebracht werden. Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann, wenn hitzehärtbare, flüssige Beschichtungszusammensetzungen verwendet werden, die Beschichtung durch Heißsprühen, d. h. durch Sprühen der Beschichtung auf ein Substrat, das auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur erhitzt wurde, aufgebracht werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die Substrate vor der Beschichtung vorzugsweise auf wenigstens 100°C erhitzt werden. Bei Kontakt mit dem erhitzten Substrat härtet die Beschichtungszusammensetzung auf der Oberfläche, was zusätzliche Verarbeitungsschritte überflüssig macht und ein einfaches, wirtschaftliches Verfahren zur Ausbildung von mehreren Beschichtungsschichten in einem kontinuierlichen Aufbringungsverfahren schafft. Mehrere Beschichtungen können in Fällen aufgebracht werden, in denen es wünschenswert ist, Beschichtungen zu verwenden, um getrennte, schutzspezifische Eigenschaften vorzusehen. Beispielsweise können bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform mehrere Beschichtungen auf Flußstahl aufgebracht werden, wobei Zirconiumoxid als Füllstoff der Schutzzusammensetzung der oberen Schicht zugegeben wird, um Beständigkeit gegenüber beispielsweise sauren Umgebungen zu schaffen, und Flocken aus nichtrostendem Stahl können der Beschichtungszusammensetzung der unteren Schicht zugegeben werden, um eine Beständigkeit beispielsweise gegenüber Abrieb zu schaffen.
Bei einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der die Zusammensetzungen als Schutzbeschichtungen verwendet werden, können solche Beschichtungen durch Erhitzen der Mischung, die das wenigstens eine Polymer, das die Silicium-Stickstoff-Bindungen enthält, und die wenigstens eine Borquelle enthält, unter geeigneten Verarbeitungsbedingungen gebildet werden. Bei einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Beschichtung durch Erhitzen der Mischung des wenigstens einen Polymers, das Silicium-Stickstoff-Bindungen enthält, und der wenigstens einen Borquelle in Gegenwart wenigstens eines Oxidationsmittels gebildet werden. Temperaturen von mehr als 250°C sind bevorzugt, wobei Temperaturen von mehr als 400°C bis 800°C besonders in Abhängigkeit der verwendeten Substrate bevorzugt werden. Für besonders haltbare Substrate wie feuerfeste Metalle, Keramiken und nichtrostenden Stahl können Temperaturen so hoch wie 1000°C oder mehr verwendet werden.
Die Art der Schutzbeschichtung hängt von der Temperatur ab, auf die die Beschichtung erhitzt wird. In dem niedrigen Temperaturbereich, beispielsweise weniger als etwa 500°C, ist die Art der Beschichtung hauptsächlich diejenige eines stark vernetzten Polymers. Bei höheren Temperaturen, beispielsweise etwa 500°C bis 1000°C, weist die Beschichtung hauptsächlich amorphe Charakteristika auf. Im höchsten Temperaturbereich, beispielsweise bei Temperaturen von mehr als etwa 1000°C, können hauptsächlich amorphe oder kristalline keramische Eigenschaften erhalten werden.
Oxidationsmittel, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt sind, umfassen, sind jedoch nicht, beschränkt auf, Sauerstoff, Luft, Mischungen von Sauerstoff mit inerten oder anderen oxidierenden Gasen und dergleichen. Besonders bevorzugte Oxidationsmittel bei der vorliegenden Erfindung umfassen Luft, Sauerstoff und andere oxidierende Atmosphären, die des weiteren Wasserdampf wie mit Wasserdampf gesättigte Luft umfassen. Ohne durch eine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden sein zu wollen, wird angenommen, daß Wasserdampf die Oxidation der Beschichtungszusammensetzung unterstützt, indem er für eine teilweise Hydrolyse der Silicium-Stickstoff-Bindungen in dem wenigstens einen Polymer sorgt. Des weiteren kann, wenn wenigstens ein Füllstoff den Zusammensetzungen einverleibt ist, der Wasserdampf auch den wenigstens einen Füllstoff wenigstens teilweise oxidieren.
Verschiedene praktische Beispiele der vorliegenden Erfindung sind in den nachfolgenden Beispielen enthalten. Diese Beispiele sollten jedoch nur als veranschaulichend angesehen werden und nicht als den Umfang der Erfindung wie in den beigefügten Ansprüchen definiert beschränkend ausgelegt werden. Des weiteren ist eine Reihe von Vergleichsbeispielen angegeben.
BEISPIEL 1
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Herstellung eines Polysilazans: [(CH₃SiHNH)_0,8(CH₂=CHSiCH₃NH)_0,2]_x, das zur Bildung einer Beschichtung auf einem Substrat verwendet werden kann. Ein etwa 5 Liter fassender Dreihalskolben wurde mit einem mechanischen Überkopfrührer, einem Trockeneis-/Aceton-Kondensator (etwa –78°C), einem Ammoniak- oder Stickstoffeinlaßrohr und einem Thermometer ausgestattet, um eine Vorrichtung zu bilden. Das Innere der Vorrichtung wurde mit Stickstoff besprengt. Die Vorrichtung wurde dann mit Hexan (etwa 1760 Milliliter (ml), getrocknet über Molekularsieben des Typs 4A), Methyldichlorsilan (etwa 209 ml, etwa 230,9 g, etwa 2,0 Mol) und Vinylmethyldichlorsilan (etwa 64 ml, etwa 69,6 g, etwa 0,5 Mol) beschickt. Ammoniak wurde der Vorrichtung mit einer Geschwindigkeit von etwa 3,5 Liter pro Minute (etwa 9,37 Mol) während etwa einer Stunde zugegeben. Während der Zugabe von Ammoniak erhöhte sich die Temperatur des Inhalts der Vorrichtung von etwa 25°C auf etwa 69°C. Nach etwa einer Stunde wurde der Ammoniakstrom gestoppt und die Reaktionsmischung wurde auf etwa Raumtemperatur abkühlen gelassen. Die Reaktionsmischung wurde auf einem mit Glasfritte versehenen Trichter gefiltert, um jegliches ausgefällte Ammoniumchlorid zu entfernen. Das Hexan wurde aus dem Filtrat unter verringertem Druck von etwa 0,27 kPa (2 Millimeter (mm) Quecksilber (Hg) (0,079 Zoll Hg)) entfernt, um ein Polysilazan [(CH₃SiHNH)_0,8(CH₂=CHSiCH₃NH)_0,2]_x, als klares Öl (etwa 150,8 g, etwa 2,34 Mol, etwa 94% Ausbeute) mit einer Viskosität von etwa 43 mPa*s (Centipoise) bei etwa 25°C und einem Molekulargewicht von etwa 560 g/Mol zu ergeben.
BEISPIEL 2
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Herstellung eines Polyharnstoffsilazans, das zur Bildung einer Schutzbeschichtung auf einem Substrat verwendet werden kann. Ein Methylvinylpolyharnstoffsilazan wurde im wesentlichen gemäß dem Verfahren des US-Patents Nr. 4,929,704 hergestellt. Insbesondere wurden ein etwa 100 Milliliter (ml) fassender Einhalskolben, der mit einer Rührstange und einem Septum ausgestattet war, mit Stickstoff besprengt und mit etwa 10,0 g des Polysilazans, [(CH₃SiHNH)_0,8(CH₂=CHSiCH₃NH)_0.2]_x, das im wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt wurde, und etwa 0,2 Gew.-% Phenylisocyanat beschickt. Der Kolben wurde in ein Ölbad auf einem Rührer/Warmhalteplatte verbracht und das Septum wurde durch einen Wasserkondenstor, der mit einem Septum abgedeckt war, ersetzt. Ein Stickstoffeinlaß und ein ölgefüllter Überdruckausgleich wurden in das Septum verbracht. Die Reaktionsmischung wurde dann auf etwa 110°C unter einer Stickstoffatmosphäre während etwa 17 Stunden erhitzt. Die Entwicklung von Wasserstoffgas wurde beobachtet. Nach dem Kühlen auf etwa Raumtemperatur betrug die Viskosität des flüssigen Polyharnstoffsilazanprodukts etwa 300 mPa*s (Centipoise).
BEISPIEL 3
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Borcarbid und Zink enthält. Ein Substrat aus nichtrostendem Stahl (Series 304) mit den Abmessungen von etwa 8 cm mal 8 cm mal 0,1 cm wurde für die Beschichtung durch Sandstrahlen der Oberfläche vorbereitet. Das Substrat wurde dann durch Bürstenbeschichten einer Mischung auf das Substrat beschichtet. Die Beschichtungsmischung enthielt etwa 50 Gew.-% Zinkstaub (–66 μm, L2-1144, #136, Blattqualität, Canbro, Quebec, Kanada), etwa 25 Gew.-% Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) und 25 Gew.-% Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde (und mit der Zugabe von etwa 0,5% Dicumylperoxid bezogen auf das Gewicht des Polyharnstoffsilazans). Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 150°C in Luft während etwa 30 Minuten erhitzt und dann auf etwa 500°C in Luft während etwa 3 Stunden erhitzt. Das beschichtete Substrat blieb durch Korrosion unbeeinträchtigt, wenn es einer gesättigten, wässerigen Natriumchloridlösung während 24 Stunden bei Umgebungstemperatur ausgesetzt wird.
BEISPIEL 4
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Borcarbid und Siliciumcarbid enthält. Beispiel 3 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 50 Gew.-% Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren des Beispiels 2 hergestellt wurde (und mit der Zugabe von etwa 0,5% Dicumylperoxid bezogen auf das Gewicht des Polyharnstoffsilazans), etwa 25 Gew.-% Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) und etwa 25 Gew.-% Siliciumcarbid (E-110, 5 μm Norton, Lillesand, Norwegen) enthielt. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 150°C in Luft erhitzt, dann auf etwa 600°C in Luft erhitzt. Das beschichtete Substrat blieb von Korrosion unbeeinflußt, wenn es einer gesättigten, wässerigen Chloridlösung bei Umgebungstemperatur während etwa 24 Stunden ausgesetzt wurde.
BEISPIEL 5
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Borcarbid und Zirconiumoxid enthält. Beispiel 3 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 25 Gew.-% Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde (und mit der Zugabe von 0,5% Dicumylperoxid bezogen auf das Gewicht des Polyharnstoffsilazans), etwa 15 Gew.-% Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) und etwa 60 Gew.-% Zirconiumoxid (0,5 μm SC-15 Qualität, Magnesium Elektron, Inc., Flemington, NJ) enthielt. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 150°C in Luft während etwa 30 Minuten erhitzt, dann auf etwa 800°C in Luft während etwa 3 Stunden erhitzt. Das beschichtete Substrat blieb durch Korrosion unbeeinflußt, wenn es einer gesättigten, wässerigen Natriumchloridlösung bei Umgebungstemperatur während etwa einer Woche ausgesetzt wurde.
BEISPIEL 6
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Borcarbid und Siliciumcarbid enthält. Beispiel 3 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 30 Gew.-% Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde (und mit der Zugabe von etwa 0,5% Dicumylperoxid bezogen auf das Gewicht des Polyharnstoffsilazans und etwa 5 Gew.-% Toluol), etwa 10 Gew.-% Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) und etwa 60 Gew.-% Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) enthielt. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 150°C in Luft während etwa 30 Minuten erhitzt und dann auf etwa 600°C in Luft während etwa 3 Stunden erhitzt. Das beschichtete Substrat wies eine Korrosionsbeständigkeit bei Aussetzung an konzentrierte Schwefelsäure bei Umgebungstemperatur während etwa 6 Stunden auf.
BEISPIEL 7
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Borcarbid und Siliciumcarbid enthielt. Beispiel 6 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die gebildete Beschichtung einer gesättigten, wässerigen Natriumchloridlösung bei Umgebungstemperatur während etwa eines Tags ausgesetzt wurde und diese eine Korrosionsbeständigkeit aufwies.
BEISPIEL 8
Die vorliegende Erfindung zeigt unter anderen die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Borcarbid und Siliciumcarbid enthält. Beispiel 3 wurde im wesentlichen mit der, Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung aus etwa 40 Gew.-% Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde (und mit der Zugabe von etwa 0,5% Dicumylperoxid bezogen auf das Gewicht des Polyharnstoffsilazans und etwa 5% Toluol), etwa 20 Gew.-% Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) und etwa 40 Gew.-% Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) bestand. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 150°C in Luft während etwa 30 Minuten erhitzt und auf etwa 600°C in Luft während etwa 3 Stunden erhitzt. Das beschichtete Substrat wies eine Korrosionsbeständigkeit bei Aussetzung an konzentrierte Schwefelsäure bei Umgebungstemperatur während etwa zwei Tagen auf.
BEISPIEL 9
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Borcarbid und Siliciumcarbid enthält. Beispiel 6 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die gebildete Beschichtung konzentrierter Salzsäure bei Umgebungstemperatur während etwa zwei Tagen ausgesetzt wurde und eine Korrosionsbeständigkeit aufwies.
BEISPIEL 10
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Borcarbid und Zirconiumoxid enthält. Ein Substrat aus nichtrostendem Stahl (Series 310) mit den Abmessungen von etwa 8 cm mal 8 cm × 0,1 cm wurde zur Beschichtung mittels Sandstrahlen der Oberfläche vorbereitet. Das Substrat wurde dann durch Sprühen der Mischung, die etwa 25 Gew.-% Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 60 Gew.-% Zirconiumoxid (0,5 μm, SC-15 Qualität, Magnesium Elektron, Inc., Flemington, NJ) und etwa 15 Gew.-% Borcarbid (5 μm B₄C, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT), das 12 Stunden gemahlen worden war, enthielt, beschichtet. Eine Beschichtung einer Dicke von etwa 50 bis 60 μm wurde auf die Substratoberfläche unter Verwendung einer Paasche Model H Spritzpistole mit einem äußeren Doppelwirkungsmischbehälters und einer Nadel #3 mit einem Konus #5 aufgebracht. Das beschichtete Substrat wurde in Luft auf etwa 150°C während etwa 15 Minuten erhitzt und dann auf etwa 200°C in Luft erhitzt. Die Temperatur wurde auf etwa 500°C mit einer Geschwindigkeit von etwa 100°C pro Stunde erhöht und während etwa einer Stunde bei etwa 500°C gehalten, danach wurde die Temperatur auf etwa 800°C mit etwa 200°C pro Stunde erhöht und bei etwa 800°C während etwa einer Stunde gehalten. Das beschichtete Substrat wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt.
BEISPIEL 11
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Borcarbid und einen Füllstoff aus nichtrostendem Stahl enthält. Beispiel 10 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die flüssige Mischung durch Kombinieren von etwa 175 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 32 g Borcarbid (5 μm, B₄C von ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) und etwa 60 g 316 Flocken aus nichtrostendem Stahl (15–40 μm, 316 × 55 Blattqualität), U.S. Bronze Powders, Inc., Flemington, NJ) und Mahlen während etwa einer Stunde hergestellt. Die Beschichtung wurde durch Erhitzen auf etwa 850°C während etwa 24 Stunden in einer oxidierenden Atmosphäre getestet, und es wurde beobachtet, daß sie festhaftend und von der Oxidation unbeeinflußt blieb.
BEISPIEL 12
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Siliciumborid und Siliciumcarbid enthält. Beispiel 10 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 50 g Polyharnstoffsilzan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 10 g Siliciumtetraborid (–66 μm, Cerac/Pure Advanced Specialty Inorganics, Milwaukee, WI) und etwa 10 g Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) enthielt. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 200°C während etwa 30 Minuten in Luft erhitzt, dann auf etwa 500°C während etwa einer Stunde in Luft erhitzt und dann auf etwa 800°C während etwa 30 Minuten in Luft erhitzt. Nach dem Abschrecken in Luft bei Raumtemperatur wurde die Beschichtung in Wasser während etwa 72 Stunden eingetaucht und einem Kratztest unterzogen, um die hydrolytische Stabilität bzw. Haftung zu bestimmen. Es wurde beobachtet, daß die Beschichtung festhaftend und durch Oxidation und Hydrolyse unbeeinflußt blieb.
BEISPIEL 13
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Nickel und Borcarbid enthält. Beispiel 10 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 80 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 40 g Nickelblattpulver (15–40 μm, Flocken feiner Blattqualität, Novamet, Wycoff, NJ) und etwa 12 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) enthielt. Die Beschichtung blieb festhaftend und durch Oxidation unbeeinflußt, wenn sie während etwa 24 Stunden auf etwa 850°C erhitzt wurde.
BEISPIEL 14
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Siliciumborid und Siliciumcarbid enthält. Beispiel 10 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 50 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 10 g Siliciumhexaborid (–66 μm, Cerac/Pure Advanced Specialty Inorganics, Milwaukee, WI) und etwa 10 g Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) enthielt. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 200°C während etwa 30 Minuten in Luft erhitzt, dann auf etwa 500°C in Luft während etwa einer Stunde erhitzt und dann auf etwa 800°C in Luft während etwa 30 Minuten erhitzt. Die Beschichtung blieb festhaftend und durch die Hydrolyse unbeeinflußt, nachdem sie in Wasser während etwa 72 Stunden eingetaucht und dann einem Kratztest unterzogen wurde.
BEISPIEL 15
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Lanthanborid und Siliciumcarbid enthält. Beispiel 10 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung aus etwa 75 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 15 g Lanthanhexaborid (40 μm, Cerac/Pure Advanced Specialty Inorganics, Milwaukee, WI) und etwa 15 g Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) bestand. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 200°C in Luft während etwa 30 Minuten erhitzt, dann auf etwa 500°C in Luft während etwa einer Stunde erhitzt und dann auf etwa 800°C während etwa 30 Minuten erhitzt. Die Beschichtung blieb festhaftend und von der Hydrolyse unbeeinflußt, nachdem sie während etwa 72 Stunden in Wasser eingetaucht und dann einem Kratztest unterzogen worden war.
BEISPIEL 16
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Aluminiumborid und Siliciumcarbid enthält. Beispiel 10 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung durch Kombinieren von etwa 50 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 10 g Aluminiumborid (AlB₁₂, 3–8 μm, Alfa Products, Danvers, MA) und etwa 10 g Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) hergestellt wurde. Die Beschichtung wurde auf die Oberfläche gebürstet, und das beschichtete Substrat wurde während einer Stunde auf etwa 500°C in Luft erhitzt und dann auf etwa 800°C während etwa 30 Minuten in Luft erhitzt. Das beschichtete Substrat war durch Wasser nach einem etwa 72-stündigen Eintauchen unbeeinflußt.
BEISPIEL 17
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Bariumborid und Siliciumcarbid enthält. Beispiel 10 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Mischung durch Kombinieren von etwa 50 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 10 g Bariumhexaborid (40 μm, BaB₆, Alfa Products, Danvers, MA) und etwa 10 g Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) hergestellt wurde. Die Beschichtung wurde auf die Oberfläche gebürstet, und das beschichtete Substrat wurde auf etwa 500°C in Luft während etwa einer Stunde erhitzt und dann auf etwa 800°C in Luft während etwa 30 Minuten erhitzt. Das beschichtete Substrat blieb durch Wasser nach einem etwa 72-stündigen Eintauchen unbeeinflußt.
BEISPIEL 18
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die Siliciumborid und Polyharnstoffsilazan enthält. Eine zylindrische Graphitscheibe mit einem Durchmesser von etwa 5 cm und einer Höhe von etwa 0,6 cm und einem Gewicht von etwa 22,01 g wurde mit einer Mischung bürstenbeschichtet, die etwa 70 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde (und mit der Zugabe von etwa 0,5% Dicumylperoxid bezogen auf das Gewicht des Polyharnstoffsilazans) und etwa 30 g Siliciumhexaborid (–66 μm, Cerac/Pure Advanced Specialty Inorganics, Milwaukee, WI) enthielt. Die beschichtete Scheibe wurde auf etwa 150°C während etwa 30 Minuten in einer Luftatmosphäre erhitzt, um das Polyharnstoffsilazan zu härten. Nach dem Härten wog das beschichtete Substrat etwa 22,52 g. Das beschichtete Substrat wurde dann in einer Luftatmosphäre von Raumtemperatur auf etwa 450°C in etwa 2 Stunden erhitzt und bei etwa 450°C während etwa 3 Stunden gehalten. Das erhaltene, beschichtete Substrat war von brauner Farbe und wog 22,74 g, was eine Gesamtgewichtszunahme der Beschichtung von etwa 43% anzeigt. Die Probe wurde dann in Wasser getaucht, um während etwa 16 Stunden bei Umgebungstemperatur eingeweicht zu werden, wonach das Wasser klar und farblos ohne irgendwelche feststellbaren vorhandenen Teilchen blieb. Die Scheibe wurde aus dem Wasser entfernt, mit einem Papiertuch getrocknet und dann weiter durch Erhitzen auf etwa 150°C während etwa 2 Stunden erhitzt. Dann wurde die Scheibe erneut gewogen. Die getrocknete, beschichtete Scheibe wog etwa 22,72 g.
Die beschichtete Scheibe wurde dann in eine Haltevorrichtung aus nichtrostendem Stahl verbracht, die es gestattete, daß mehr als 99% der Scheibenoberfläche direkt einer heißen Umgebungskonvektionsluft ausgesetzt wurden. Die Haltevorrichtung und das Probestück wurden in einen Kammerofen verbracht, der auf etwa 650°C erhitzt worden war. Etwa alle 3 bis 4 Stunden wurden die Haltevorrichtung und das Probestück aus dem Ofen entfernt und in Umgebungsluft abgeschreckt, das Probestück wurde gewogen und wieder in der Haltevorrichtung befestigt, und dann wurden die Haltevorrichtung und das Probestück wieder in den erhitzten Ofen verbracht, um weiter in Luft erhitzt zu werden. Nach 4 Stunden betrug der Oxidationsverlust etwa 1,7%. Dies ist mit dem Oxidationsgewichtsverlust von etwa 27% für eine nicht beschichtete Graphitscheibe zu vergleichen. Nach etwa 24 Stunden betrug der Oxidationsgewichtsverlust nur etwa 44%, was mit dem Oxidationsgewichtsverlust von etwa 100 für die unbeschichtete Graphitscheibe zu vergleichen ist. Dieses Beispiel zeigt die überraschende hydrolytische und oxidative Stabilität, die einem Graphitsubstrat verliehen wird, wenn es beschichtet und anschließend in einer oxidierenden Oberfläche erhitzt wird.
BEISPIEL 19
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung aus Polyharnstoffsilazan, Zirconiumoxid und Borcarbid, die auf ein Aluminiumoxidsubstrat beschichtet wird. Beispiel 10 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Mischung durch Kombinieren von etwa 50 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, 10 g Zirconiumoxid (0,5 μm, SC-15 Qualität, Magnesium Elektron, Inc., Flemington, NJ) und 10 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) hergestellt wurde und dann auf ein Aluminiumoxidsubstrat bürstenbeschichtet wurde. Das beschichtete Substrat wurde während etwa 1 Stunde auf etwa 200°C in Luft erhitzt und dann auf etwa 500°C während etwa 12 Stunden in Luft erhitzt. Das beschichtete Substrat wies eine hydrolytische Stabilität auf.
BEISPIEL 20
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung aus Polytetrafluorethylen, Polyharnstoffsilazan, Siliciumcarbid, Borcarbid und Flocken aus nichtrostendem Stahl. Die Beschichtung wurde hergestellt durch Kombinieren von etwa 50 g der Komponente A und etwa 50 g der Komponente B. Die Komponente A bestand aus etwa 100 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, 35 g Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen), 30 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) und 30 g Flocken aus nichtrostendem Stahl (15–40 μm, 316 × SS Blattqualität, U.S. Bronze Powders, Inc., Flemington, NJ). Die Komponente B bestand aus etwa 130 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde und 50 g Polytetrafluorethylen (unter dem Warenzeichen Teflon^® 7A, DuPont, Wilmington, DE, vertrieben). Die Mischung wurde auf einen mit Siliciumcarbid verstärkten Aluminiumoxidverbundkörper, der im wesentlichen gemäß der Lehre des US-Patents Nr. 4,923,832 hergestellt wurde, mit einer Spritzpistole aufgebracht. Nach dem Erhitzen wies der sich ergebende beschichtete Körper eine gute Haftungskohäsion und Kratzbeständigkeit auf.
BEISPIEL 21
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung aus Polysilazan, Zirconiumoxid und Borcarbid. Die Beschichtung wurde im wesentlichen gemäß Beispiel 10 mit der Ausnahme hergestellt, daß die Zusammensetzung etwa 100 g Polysilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 30 g Zirconiumoxid (0,5 μm, SC-15 Qualität, Magnesium Elektron, Inc., Flemington, NJ) und etwa 15 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) enthielt. Die Beschichtung wurde auf etwa 850°C während etwa 24 Stunden auf einem Substrat aus nichtrostendem Stahl erhitzt, und das sich ergebende, beschichtete Substrat wies eine gute Haftung und Kohäsion auf.
BEISPIEL 22
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung, die aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen besteht. Die Beschichtung wurde im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 10 mit der Ausnahme hergestellt, daß die Zusammensetzung der ersten Schicht etwa 100 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 33 g Flocken aus nichtrostendem Stahl (15–40 μm, 316 × SS Blattqualität, U.S. Bronze Powders, Inc., Flemington, NJ) und etwa 15 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) enthielt. Die zweite Schicht enthielt etwa 25 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 60 g Zirconiumoxid (0,5 μm, SC-15 Qualität, Magnesium Elektron, Inc., Flemington, NJ) und etwa 15 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) enthielt. Die Beschichtungen wurden auf ein Substrat aus Flußstahl ohne Erhitzen zwischen den Aufbringungen gesprüht. Das beschichtete Substrat wurde dann auf etwa 210°C während etwa einer Stunde erhitzt und dann auf etwa 850°C erhitzt. Es wurde beobachtet, daß die Beschichtungszusammensetzung das Substrat gegen Erhitzen bei etwa 850°C während mehr als 12 Stunden schützte.
BEISPIEL 23
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung, die mehrere Schichten aus unterschiedlichen Zusammensetzungen enthält, auf einem Substrat, das einen mit Kohlenstoffaser verstärkten AVIMID^® Polymerverbundkörper (DuPont, Wilmington, DE) enthält. Die Beschichtung wurde im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 10 mit der Ausnahme hergestellt, daß die Zusammensetzung der ersten Schicht etwa 30 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 50 g Zirconiumoxid (0,5 μm, SC-15 Qualität, Magnesium Elektron, Inc., Flemington, NJ) und etwa 20 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) enthielt. Die zweite Schicht enthielt etwa 100 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 40 g Zink und etwa 15 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT). Die Beschichtungsmischungen wurden mit einer Spritzpistole aufgebracht, und das beschichtete Substrat wurde auf etwa 350°C mit etwa 100°C pro Stunde erhitzt und bei etwa 350°C während etwa 15 Minuten gehalten. Die sich ergebende Beschichtung wies eine gute Abriebsbeständigkeit auf.
BEISPIEL 24
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung, die aus Polyharnstoffsilazan, Strontiumborid und Flocken aus nichtrostendem Stahl besteht. Die Beschichtung wurde im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 3 mit der Ausnahme hergestellt, daß die Zusammensetzung etwa 90 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 15 g Strontiumhexaborid (40 μm, Alfa Products, Danvers, MA) und etwa 33 g Flocken aus nichtrostendem Stahl (15–40 μm, 316 × SS Blattqualität, U.S. Bronze Powders, Inc., Flemington, NJ) enthielt. Die Beschichtungsmischung wurde mittels einer Spritzpistole aufgebracht, und das beschichtete Substrat wurde auf etwa 200°C während etwa einer Stunde erhitzt und dann auf etwa 850°C mit einer Geschwindigkeit von etwa 500°C pro Stunde erhitzt und bei 850°C während etwa 4 Stunden gehalten. Die sich ergebende Beschichtung wies eine gute Haftung auf.
BEISPIEL 25
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Zirconiumoxid und Borcarbid enthält. Beispiel 10 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 100 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 49 g Zirconiumoxid (0,5 μm, SC-15 Qualität, Magnesium Elektron, Inc., Flemington, NJ) und etwa 21 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) enthielt. Die Beschichtung wurde auf ein Substrat aus nichtrostendem 316 Stahl bürstenbeschichtet, und das beschichtete Substrat wurde auf etwa 250°C mit einer Geschwindigkeit von etwa 100°C pro Stunde erhitzt und bei etwa 250°C während etwa 4 Stunden gehalten. Die sich ergebende Beschichtung, die etwa 35 μm dick war, wurde unter den Bedingungen getestet, die im ASTM-Standard D968-81 festgelegt sind, und wies einen Abriebsbständigkeitsfaktor von etwa 32.000 auf.
BEISPIEL 26
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die Polyharnstoffsilazan, Zirconiumoxid und Borcarbid enthält. Beispiel 25 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 100 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 49 g Zirconiumoxid (0,5 μm, Magnesium Elektron, Inc., Flemington, NJ) und etwa 21 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) enthielt. Die Beschichtung wurde auf ein Substrat aus nichtrostendem 316 Stahl bürstenbeschichtet, und das beschichtete Substrat wurde auf etwa 500°C mit einer Geschwin digkeit von etwa 100°C pro Stunde erhitzt, und bei etwa 500°C während etwa 4 Stunden gehalten. Das sich ergebende Substrat wurde unter den Bedingungen getestet, die im ASTM-Standard D968-81 festgelegt sind, und wies einen Abriebsbeständigkeitsfaktor von etwa 11.538 auf.
BEISPIEL 27
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die Polyharnstoffsilazan, Zirconiumoxid und Borcarbid enthält. Beispiel 25 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 100 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 21 g Zirconiumoxid (0,5 μm, Magnesium Elektron, Inc., Flemington, NJ) und etwa 49 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) enthielt. Die Beschichtung wurde auf ein Substrat aus nichtrostendem 316 Stahl bürstenbeschichtet, und das beschichtete Substrat wurde auf etwa 500°C mit einer Geschwindigkeit von etwa 100°C pro Stunde erhitzt und bei etwa 500°C während etwa 4 Stunden gehalten. Das sich ergebende Substrat wurde unter den Bedingungen getestet, die im ASTM-Standard D968-81 festgelegt sind und wies einen Abriebsbeständigkeitsfaktor von etwa 11.428 auf.
BEISPIEL 28
Das vorliegende Beispiel zeigt unter anderem die Bildung einer Beschichtungszusammensetzung aus einer Mischung, die ein Polyharnstoffsilazan, Zirconiumoxid und Borcarbid enthält, auf einem Substrat sowohl aus nichtrostendem Stahl als auch aus Kohlenstoffstahl. Beispiel 3 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 25 Gew.-% Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 60 Gew.-% Zirconiumoxid (0,5 μm, SC-15 Qualität, Magnesium Elektron, Inc., Flemington, NJ) und etwa 15 Gew.-% Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) enthielt. Die Substrate mit den Abmessungen von etwa 30 cm mal etwa 3,8 cm mal etwa 0,4 cm wurden mit den Mischungen bürstenbeschichtet und auf etwa 800°C mit einer Geschwindigkeit von etwa 200°C pro Stunde erhitzt und bei etwa 800°C während etwa 2 Stunden gehalten. Die beschichteten Substrate wurden in eine zusammengesetzte Schmelze getaucht, die Silicium, Aluminium und Magnesium mit etwa 30 Vol.-% Siliciumcarbidteilchen darin enthielt, die mit einer Geschwindigkeit bei einer Temperatur. von etwa 750°C während etwa 6 Stunden gerührt wurde, die geeignet war, μm die Siliciumcarbidteilchen im wesentlichen homogen in der Mischung zu verteilen. Die beschichteten Substrate wurden aus der Schmelze entfernt und abkühlen gelassen. Der verfestigte Verbundkörper wurde leicht von den beschichteten Substraten entfernt und die Substrate blieben ohne Abschürfung ohne Risse oder Abblättern.
VERGLEICHSBEISPIELE
Die nachfolgenden Beispiele sind auf Zusammensetzungen gerichtet, die aus nicht vollständig verstandenen Gründen keine gewünschten Beschichtungen bildeten, die gegenüber bestimmten nachteiligen Umgebungen beständig waren.
BEISPIEL A
Beispiel 3 wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 50 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 10 g Nickelborid (–66 μm, Alfa Product, Ventron Division, Danvers, MA) und etwa 10 g Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) enthielt. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 200°C während etwa einer Stunde in Luft erhitzt und dann auf etwa 500°C während etwa 12 Stunden in Luft erhitzt. Die sich ergebende Beschichtung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und es wurde beobachtet, daß sie sich bei Eintauchen in Wasser zersetzte.
BEISPIEL B
Eine unbeschichtete Graphitscheibe mit einem Durchmesser von etwa 5 cm und einer Höhe von etwa 0,6 cm und einem Gewicht von etwa 23,02 g wurde mit einer Mischung beschichtet, die im wesentlichen mit der in Beispiel 9 hergestellten Mischung identisch war. Die Scheibe wurde dann auf etwa 150°C während etwa 2 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre im wesentlichen gemäß Beispiel 9 erhitzt. Die beschichtete Scheibe wurde dann gewogen, und es wurde bestimmt, daß sie ein Gewicht von etwa 23,53 g hatte. Die Scheibe wurde dann in einer Stickstoffatmosphäre von Raumtemperatur auf etwa 850°C während eines Zeitraums von etwa 2 Stunden erhitzt, bei etwa 850°C während etwa 15 Minuten gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die erhaltene Beschichtung hatte ein schwarzes Aussehen, und die beschichtete Scheibe wog etwa 23,30 g, was einen Beschichtungsgewichtsverlust von etwa 59% angibt. Die Probe wurde dann in Wasser bei Umgebungstemperatur während etwa 16 Stunden getränkt und im wesentlichen gemäß dem in Beispiel 9 beschriebenen Verfahren getrocknet. Nachdem die Scheibe in Wasser eingetaucht worden war, erschien das Wasser trüb mit einer ausgeprägten Ablagerung von Teilchen und die Scheibe wog nur 23,04 g, was einen Gewichtsverlust von etwa 0,27 g Masse während des Eintauchens in Wasser anzeigt. Bei Entfernen hatte die Scheibe im wesentlichen das gleiche Aussehen wie die ursprünglich zur Herstellung der Probe verwendete, unbeschichtete Graphitscheibe, und das Gewicht der Scheibe war fast mit dem Gewicht der unbeschichteten Scheibe identisch (23,02 g).
BEISPIEL C
Das folgende Beispiel zeigt eine mit Boroxid hergestellte Beschichtung. Beispiel A wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 70 g Polyharnstoffsilazan, das im wesentlichen gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 hergestellt wurde, etwa 10 g Boroxid (B₂O₃, zerkleinert, A76-3, Fischer Scientific, Fairlawn, NJ) und etwa 20 g Zirconiumoxid (0,5 μm, SC-15 Qualität, Magnesium Elektron, Inc., Flemington, NJ) enthielt. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 500°C während etwa einer Stunde erhitzt und dann auf etwa 800°C während etwa 30 Minuten erhitzt. Die Beschichtung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, und es wurde beobachtet, daß sie sich bei Eintauchen in Wasser bei Umgebungstemperatur zersetzte.
BEISPIEL D
Das folgende Beispiel zeigt eine Beschichtung, die mit kolloidalem Siliciumdioxid hergestellt wurde. Beispiel A wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 50 g kolloidales Siliciumdioxid (NYACOL^® 2040, Nyacol Products, Inc., einer Tochtergesellschaft von PQ Corp, Ashland, MA), etwa 10 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) und etwa 10 g Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) enthielt. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 500°C während etwa einer Stunde erhitzt und dann auf etwa 800°C während etwa 30 Minuten erhitzt. Die Beschichtung wurde auf Raumtemperatur gekühlt, und es wurde beobachtet, daß sie sich bei Eintauchen in Wasser bei Umgebungstemperatur zersetzte.
BEISPIEL E
Das folgende Beispiel zeigt eine Beschichtung, die mit Polybutylmethacrylat hergestellt wurde. Beispiel A wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 50 g ELVACITE^® (DuPont Elvacite, 2045, DuPont, Wilmington, DE) in Xylol, etwa 10 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) und etwa 10 g Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) enthielt. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 500°C während etwa einer Stunde erhitzt und dann auf etwa 800°C während etwa 30 Minuten erhitzt. Die Beschichtung wischte sich als Pulver ab.
BEISPIEL F
Das folgende Beispiel zeigt eine Beschichtung, die mit Polycarbosilan hergestellt wurde. Beispiel A wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 7,5 g NICALON^® (Polycarbosilan, Nippon Carbon Co., Ltd., Dow Corning Corp. (Vertragshändler), Midland, MI), etwa 20 ml Xylol, etwa 2,5 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) und 2,5 g Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) enthielt. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 500°C während etwa einer Stunde erhitzt. Die Beschichtung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, und es wurde beobachtet, daß sie sich bei Eintauchen in Wasser bei Umgebungstemperatur zersetzte.
BEISPIEL G
Das folgende Beispiel zeigt eine Beschichtung, die mit Dimethylsiloxan hergestellt wurde. Beispiel A wurde im wesentlichen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Beschichtungsmischung etwa 7,5 g Dimethylsiloxan (Aldrich 14615-3, Milwaukee, WI), etwa 2,5 g Borcarbid (B₄C, 5 μm, ESK-Engineered Ceramics, New Canaan, CT) und etwa 2,5 g Siliciumcarbid (E-110, 5 μm, Norton, Lillesand, Norwegen) enthielt. Das beschichtete Substrat wurde auf etwa 500°C während etwa einer Stunde erhitzt. Die Beschichtung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, und es wurde beobachtet, daß sie sich bei Eintauchen in Wasser bei Umgebungstemperatur zersetzte.

Claims

Verfahren zur Bildung einer Beschichtung auf wenigstens einem Teil von wenigstens einem Substratmaterial, das die Schritte umfaßt: (1) Kombinieren von wenigstens einem als Bor-Quelle dienenden Material mit einem ausgedehnten Netzwerk an Bor-Bor-Bindungen und wenigstens einem Polymer, das Silicium-Stickstoff-Bindungen aufweist, um eine Mischung zu bilden; (2) Anordnen der genannten Mischung auf wenigstens einem Teil von wenigstens einem Substratmaterial; und (3) Erhitzen des wenigstens einen Substratmaterials mit der darauf befindlichen Mischung in Gegenwart von wenigstens einem Oxidationsmittel, das kein Peroxid ist, um die Mischung zum Reagieren zu bringen und die Beschichtung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Polymer, das Silicium-Stickstoff-Bindungen aufweist, wenigstens ein Polymer umfaßt, das wenigstens teilweise vernetzbar ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Mischung wenigstens ein Lieferant für freie Radikale zugesetzt wird, um das Vernetzen des wenigstens einen teilweise vernetzbaren Polymers, das wenigstens einige Silicium-Stickstoff-Bindungen aufweist, zu verstärken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Polymer, das Silicium-Stickstoff-Bindungen aufweist, wenigstens ein Polymer umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Polyharnstoffsilazanen und Polythioharnstoffsilazanen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte wenigstens eine Bor-Quelle mit einer ausgedehnten Bor-Bor-Bindung wenigstens eine Struktur aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Kettenstrukturen, Blattstrukturen und Käfigstrukturen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Bor-Quelle wenigstens ein Material umfaßt, das ausgewählt ist aus Borcarbid, Strontiumborid, Lanthanborid, Aluminiumborid, Bariumborid und Siliciumborid.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhitzen bei einer Temperatur von wenigstens 250°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhitzen bei einer Temperatur von 400°C bis 800°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte wenigstens eine Substrat wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Metallen, Metalllegierungen, Metallmatrixverbundmaterialien, Intermetallmaterialien, Mineralien, Kohlenstoff, anorganischen und organischen Oligomeren und Polymeren, Hybridpolymeren, Gläsern, Keramiken und Keramikverbundmaterialien.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte Beschichtung außerdem wenigstens ein Füllstoffmaterial umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das genannte wenigstens eine Füllstoffmaterial wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Keramiken, Gläsern, Metallen, Metalllegierungen, organischen und anorganischen Oligomeren und Polymeren und Hybridpolymeren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur erhitzt wird, bevor die Mischung auf dem Substrat angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat auf eine Temperatur über 100°C erhitzt wird, bevor die Mischung auf dem Substrat angeordnet wird.
Verfahren zur Bildung einer Beschichtung, die eine erste Schicht und wenigstens eine folgende Schicht umfaßt, auf wenigstens einem Substratmaterial, das die Schritte umfaßt (1) Kombinieren von wenigstens einem als Bor-Quelle dienenden Material, das ein ausgedehntes Netzwerk an Bor-Bor-Bindung aufweist, und wenigstens einem Polymer, das Silicium-Stickstoff-Bindungen umfaßt, um eine erste Mischung zu bilden; (2) Überführen der ersten Mischung auf wenigstens einen Teil wenigstens eines Substrats, um eine erste Schicht auf dem wenigstens einen Substratmaterial auszubilden; (3) Kombinieren von wenigstens einem zweiten als Bor-Quelle dienenden Material, das ein ausgedehntes Bor-Bor-Netzwerk aufweist, und wenigstens einem zweiten Polymer, das wenigstens einige Silicium-Stickstoff-Bindungen aufweist, um wenigstens eine folgende Mischung zu bilden; (4) Überführen dieser wenigstens einen folgenden Mischung auf wenigstens einen Teil der ersten Schicht, um wenigstens eine folgende Schicht auf dem wenigstens einem Substrat auszubilden; (5) Erhitzen des wenigstens einen Substratmaterials mit der darauf befindlichen ersten Schicht und der wenigstens einen folgenden Schicht in Gegenwart von wenigstens einem Oxidationsmittel, um zu bewirken, daß die erste Mischung und die wenigstens eine folgende Mischung unter Bildung des Überzugs reagieren.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Substrat in Gegenwart von wenigstens einem Oxidationsmittel erhitzt wird, bevor wenigstens eine der wenigstens einen folgenden Schichten aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste Mischung und wenigstens eine von der wenigstens einen folgenden Mischung Zusammensetzungen umfaßt, die sich voneinander unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei wenigstens eine von der ersten Mischung und von der wenigstens einen folgenden Mischung außerdem wenigstens einen Füllstoff umfaßt.
Zusammensetzung, die durch ein Verfahren der Ansprüche 1 bis 17 erhältlich ist und das Reaktionsprodukt ist von: (1) wenigstens einer Verbindung, die wenigstens ein als Bor-Quelle dienendes Material mit einem ausgedehnten Netzwerk an Bor-Bor-Bindungen aufweist; (2) wenigstens einem Silicium-Stickstoff-Polymer, (3) wenigstens einem Füllstoffmaterial; (4) wenigstens einer Oxidationsmittelkomponente, die Sauerstoff umfaßt, außer Peroxiden; und (5) wenigstens einem Substratmaterial.
Zusammensetzung nach Anspruch 18, wobei das wenigstens eine Füllstoffmaterial wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Keramiken, Gläsern, Metallen, Metalllegierungen, organischen und anorganischen Oligomeren und Polymeren und Hybridpolymeren. 20 Zusammensetzung nach Anspruch 18, wobei das wenigstens eine Silicium-Stickstoff-Polymer wenigstens ein Polymer umfaßt, das ausgewählt ist aus Polyharnstoffsilazanen und Polythioharnstoffsilazanen.
Zusammensetzung nach Anspruch 18, wobei das wenigstens eine als Bor-Quelle dienende Material mit einem ausgedehnten Netzwerk an Bor-Bor-Bindungen wenigstens ein Bor-Quellen-Material umfaßt, das ausgewählt ist, aus Borcarbid, Siliciumborid, Lanthanborid, Aluminiumborid, Strontiumborid und Bariumborid.