DE69628425T2

DE69628425T2 - Carbid-nanofibrillen und verfahren zum herstellen derselben

Info

Publication number: DE69628425T2
Application number: DE69628425T
Authority: DE
Inventors: David Moy; Chun-Ming Niu
Original assignee: Hyperion Catalysis International Inc
Current assignee: Hyperion Catalysis International Inc
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2016-03-30
Also published as: EP0817874A1; US20080175782A1; US7862790B2; JP3798020B2; DE69628425D1; ATE241576T1; US7393514B2; EP0817874B1; AU5436596A; WO1996030570A1; US20060051280A1; EP0817874A4; US20050036933A1; JPH11503206A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Carbidnanofibrillen und ein Verfahren zur Herstellung von Carbidnanofibrillen.
Hintergrund der Erfindung
Keramiken werden als die Materialien der Zukunft betrachtet. Die Keramiken sind jedoch notorisch spröde. Die vielen potentiellen Anwendungen von Keramiken als Hochtemperaturstrukturmaterialien sind durch deren fehlende Widerstandsfähigkeit und Verlässlichkeit behindert worden.
Um die Widerstandsfähigkeit und Verlässlichkeit von Keramiken zu verbessern, haben sich etliche Bemühungen auf die Entwicklung von Nanophasenkeramiken und Nanophasenkeramik-Verbundmaterialien gerichtet. Dramatisch andere Eigenschaften lassen sich durch Herstellung von Keramikverbundmaterialien und durch Verarbeitung der Keramikmaterialien in Nanokorn-strukturierte Materialien erzielen. Beispielsweise sind Widerstandsfähigkeit und Festigkeit von Al₂O₃-SiC-Nanophasen-Verbundmaterialien 2-5 fach höher als diejenigen derselben Materialien mit herkömmlichen Strukturen, und ein Si₃N₄-Sic-Nanophasenverbundmaterial lässt sich bei 1600°C auf das zweieinhalbfache seiner ursprünglichen Länge strecken.
Metallische Carbidnanowhisker und insbesondere Siliciumcarbid-(SiC)-Nanowhisker oder -Nanofibrillen) sind aufgrund ihres Potentials in der Entwicklung superwiderstandsfähiger Keramikmatrices als Nanoverbundmaterialien und für die Herstellung von metallischen Matrices als Nanoverbundmaterialien von Interesse, um die Festigkeit von Metallen zu verbessern. Mögliche Anwendungen dieser Nanowhisker schließen Nanophasencarbide, Nanophasenkeramiken, Nanophasenverbundmaterialien und Schleifmittel für Oberflächenfinishs hoher Qualität ein.
Um die wünschenswerten Eigenschaften, die mit SiC-Fibrillen oder anderen metallischen Carbidfibrillen assoziiert sind, zu erzielen, ist es wesentlich, dass die Fibrillen einen äußerst kleinen, im allgemeinen uniformen oder gleichmäßigen Durchmesser, üblicherweise unterhalb von etwa 100 nm aufweisen. Vordem ist es jedoch nicht möglich gewesen, SiC- oder andere Carbidfibrillen in solch extrem kleinen Dimensionen herzustellen.
SiC-Whisker sind über verschiedene Verfahren hergestellt worden, eingeschlossen die Wasserstoffreduktion von CH₃-SiCl₃, dem Gasphasentransport von SiC, der katalytischen Reaktion von SiOz und Kohlenstoff in Reishülsen wie auch über Gasphasen/-Flüssig/Feststoff-Techniken. Die meisten der über diese Verfahren erzeugten SiC-Whisker weisen jedoch schlecht kristallisierte polykristalline Strukturen auf. Ihre Durchmesser sind häufig größer als 0,5 μm.
Die NASA Tech Briefs LEW-15415/16 beschreiben die Abscheidung von SiC auf Kohlenstoffwerg von 5–10 μm (grundsätzlich herkömmliche Fasern auf PAN Basis) mittels chemischer Dampfabscheidung, hauptsächlich durch Verwendung von CH₃SiCl₃ und Hz als Siliziumabscheidungsgase bei einer Temperatur von 1250°C. Die resultierenden Fasern wiesen Risse und Sprünge auf, die durch Einbau der pyrolytischen Kohlenstoffbeschichtung über dem Substrat partiell eliminiert wurden. Dieses Dokument umfasst außerdem eine beiläufige Darstellung eines Versuchs, herkömmliche Kohlenstofffasern (THORNEL M40) unter Anwendung von SiO-Gas bei 1450°C für 30 Minuten umzuwandeln. Ein Argonstrom mit 5–15% CO-Gas wurde als Trägergas verwendet, um die Gegendiffusion von SiO und CO-Gas zu steuern. Eine moderate und weit schwankende Festigkeit (60–200 KSI) wurde erzielt.
Zhou und Seraphin (Chemical Physics Letters 222, 13. Mai 1994, S. 233–238, beschreiben die Herstellung von einkristallinen SiC-Whiskern durch direkte Umsetzung von Kohlenstoffnanoclustern aus DC-Bogen-erzeugten Nanoröhrchen (d. h. Clustern von Streuröhrchen (Buckytubes)), die auf einer Kohlenstoffscheibe gehalten wurden. Die Länge und der Durchmesser der Kohlenstoffnanoröhrchen reichte von 1–5 μm bzw. 20-40 nm.
Die die Nanocluster enthaltende Scheibe wurde auf einer graphitischen Folie über SiO in einem Ofen angeordnet und bei 1700°C in einer strömenden Argonatmosphäre für 2 Stunden gehalten. Die resultierenden SiC-Whisker waren um etwa eine Größenordnung länger und breiter als die anfänglichen Kohlenstoffnanoröhrchen. Die SiC-Whisker würden auch weiter wachsen, ließe man die Reaktion fortlaufen.
Obwohl die ursprünglichen Kohlenstoffnanoröhrchen Durchmesser im Bereich von 20–40 nm aufwiesen, wiesen die kleinsten gezeigten SiC-Whisker einen Durchmesser von über 100 nm auf. Das Gitterbild der Whisker unter dem Durchstrahlungselektronenmikroskop (TEM) zeigte zahlreiche Defekte.
Es wird angenommen, dass die resultierenden Whisker häufig an Kreuzungspunkten miteinander verschmolzen waren. Es gibt keine unterscheidungskräftigen Makrostrukturen oder Eigenschaften, um die makroskopische Morphologie der SiC-Fasern mit dem anfänglichen Streuröhrchenproben in Beziehung zu setzen. Darüber hinaus ist die Ausbeute an SiC als Fasern gering; nur ein kleiner Prozentsatz der Kohlenstoffscheibe als Ausgangsmaterial (in der Nähe der Oberfläche der Scheibe) wurde in SiC umgewandelt. Von dem umgewandelten Kohlenstoffmaterial liegt eine substanzielle Menge in Form von nicht fasrigen, amorphen Partikeln oder Klumpen vor.
Dementsprechend waren, obwohl einige Versuche zum Synthetisieren von Siliciumcarbidfasern und -nanofasern unternommen worden sind, die früheren Bestrebungen nicht erfolgreich hinsichtlich dieser Synthese von hoch und beständig qualitativem Siliciumcarbid oder anderen Carbiden in Form von Nanofibrillen hauptsächlich mit Durchmessern im Wesentlichen kleiner als 100 nm.
Aufgaben der vorliegenden Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vielzahl von Metallcarbidnanofibrillen im Wesentlichen mit Durchmessern unterhalb von etwa 100 nm bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Nanofibrillen bereitzustellen, die von hoher Qualität und im Allgemeinen nicht miteinander verschmolzen sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Metallcarbidnanofibrillen bereit zu stellen, die aus Siliciumcarbid bestehen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Carbidnanofibrillen im Wesentlichen mit Durchmessern wesentlich kleiner als etwa 100 nm in situ aus Kohlenstoffnanoröhrchen oder -nanofibrillen bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung solcher Carbidnanofirbrillen aus Kohlenstoffnanoröhrchen oder -nanofibrillen bereitzustellen, das bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solch ein Verfahren zur Herstellung von Silicumcarbidnanofibrillen bereitzustellen.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schleifmittel mit einer Vielzahl von Q-basierten Carbid-Nanofibrillen bzw. Nanofibrillen aus einem Q-basiserten Carbid hauptsächlich mit Durchmessern im Wesentlichen kleiner als etwa 100 nm bereitzustellen, worin Q ein beliebiges Metall ist, dass ein Carbid bilden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hochtemperatur-, hochfestes Nanophasenverbundmaterial bereit zu stellen mit einem Hochtemperatur-/hochfesten metallischen Basismaterial, verstärkt mit einer Vielzahl von Nanofibrillen aus einem Q basierten Carbid, hauptsächlich mit Durchmessern im Wesentlichen kleiner als etwa 100 nm, worin Q ein beliebiges Metall ist, dass zur Bildung eines Carbids befähigt ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl von Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbit bzw. Q-basierte Carbidnanofibrillen hauptsächlich mit Durchmessern im Wesentlichen kleiner als etwa 100 nm bereitgestellt, worin Q ein beliebiges Metall ist, dass ein Carbid bildend kann.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbid bzw. von Q-basierten Carbidnanofibrillen hauptsächlich mit Durchmessern im Wesentlichen kleiner als etwa 100 nm bereitgestellt, umfassend die Schritte: Erwärmen einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen oder – nanofibrillen überwiegend mit Durchmessern unterhalb von etwa 50 nm in einer Reaktionskammer in Anwesenheit eines Q-basierten Gases der Form Q_nA_m worin A ein Element oder einen Rest darstellt und n und m ganze Zahlen darstellen, die zum Absättigen der Valenzen erforderlich sind, und eines Inertgases in einem Reaktionsbehälter auf eine Temperatur wesentlich kleiner als 1700°C, jedoch ausreichend hoch, um eine substantielle Reaktion des Q-basierten Gases mit dem Kohlenstoff der Kohlenstoffnanoröhrchen oder -nanofibrillen zu verursachen, um in situ feste Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbid und ein A-basiertes Gas zu bilden, wobei die Temperatur ausreichend gering ist, um ein substantielles Verschmelzen der einzelnen Carbid-Nanofibrillen zu verhindern, Entfernen mindestens eines Teils des A-basierten Gases aus der Reaktionskammer mit Fortschreiten der Reaktion und Aufrechterhalten der Temperatur so lange, bis im Wesentlichen der gesamte Kohlenstoff der Nanoröhrchen oder Nanofibrillen in ein Q-basiertes Carbid umgewandelt ist.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Schleifmittel bereitgestellt, umfassend eine Vielzahl von Nanofibrillen aus einem Qbasierten Carbid überwiegend mit Durchmessern im Wesentlichen unterhalb von etwa 100 nm, worin Q ein beliebiges Metall ist, das ein Carbid bilden kann.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein Hochtemperatur-, hochfestes Nanophasen-Verbundmaterial, umfassend ein Hochtemperatur-, hochfestes metallisches Grundmaterial, verstärkt mit einer Vielzahl von Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbid überwiegend mit Durchmessern im Wesentlichen unterhalb von etwa 100 nm, worin Q ein beliebiges Metall ist, das ein Carbid bilden kann Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein Hochtemperatur-, hochfestes Nanophasen-Keramikmaterial, umfassend eine Vielzahl von Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbid überwiegend mit Durchmessern im Wesentlichen unterhalb von etwa 100 nm, worin Q ein beliebiges Metall ist, das ein Carbid bilden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten beim Durchsehen der vorliegenden Beschreibung und Zeichnung klar werden, worin:
1 eine schematische Darstellung eines veranschaulichenden Reaktionsofens zur Herstellung der Carbidnanofibrillen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegen- den Erfindung ist.
Genaue Beschreibung
Die vorliegenden Erfinder waren erfolgreich bezüglich der Herstellung einer Vielzahl von SiC Fibrillen im Wesentlichen mit allgemein uniformen Durchmessern im Wesentlichen kleiner als 100 nm aus einer Vielzahl von Kohlenstoffnanofibrillen oder -nanoröhrchen mit Dimensionen von etwa 50 nm oder kleiner mittels Umsetzung mit SiO-Gas bei einer relativ niedrigen Temperatur, die ausreichend hoch ist, um die Umsetzung des Q-basierten Gases mit dem Kohlenstoff der Nanofibrillen zur in situ-Bildung von festem SiC zu verur sachen, jedoch ausreichen gering ist, um im Wesentlichen ein Verschmelzen der einzelnen dieser Nanofibrillen miteinander zu verhindern. Diese Temperatur ist wesentlich kleiner als 1700°C und vorzugsweise im Bereich von etwas 1000°C bis etwa 1400°C, am meisten bevorzugt in etwa 1200°C.
Die Umsetzung scheint eine pseudoto-potaktische Umwandlung zu sein, da die erzeugten SiC-Nanofibrillen bestimmte makroskopische morphologische Merkmale der ursprünglichen Kohlenstoffnanoröhrchen oder -fibrillen erbten. Die resultierenden SiC-Nanofibrillen scheinen getrennt und im Wesentlichen nicht mit anderen Nanofibrillen verschmolzen zu verbleiben. Die Struktur der einzelnen Nanofibrillen scheint einkristallin ß-SiC zu sein. Der Durchmesser der resultierenden SiC-Nanofibrillen beträgt etwa das Doppelte desjenigen der ursprünglichen Kohlenstoffnanofibrillen oder -röhrchen (ca. 10–20 nm).
Beispiel 1
a) Kohlenstoffquelle
Bei den in dieser Synthese verwendeten Kohlenstoffnanoröhrchen handelt es sich um BN (Vogelnest = bird's nest) und CC- (Zuckerwatte = cotton candy) Fibrillen (Hyperion Catalysis). Diese Kohlenstofffibrillen werden über die katalytische Zersetzung von Kohlenstoff-basierten Gasen wie Kohlenwasserstoffgas hergestellt und sind durch im Wesentlichen uniforme Durchmesser zwischen etwa 7–12 nm, mehrfache graphitische Kohlenstoffschichten, die konzentrisch um die Röhrchenachse herum angeordnet sind, einen hohlen Kern und Aspektverhältnisse von etwa 10–500 gekennzeichnet.
Die oben genannten Nanoröhrchen oder Nanofibrillen werden in Aggregaten mit einer makroskopischen Morphologie von entweder Bündeln relativ gerader Röhrchen oder in etwa kugelförmigen Aggregaten von hoch miteinander verwobenen, gebogenen Röhrchen, ähnelnd Vogelnestern („BN"), Zuckerwatte („CC") oder Kombinationen derselben gezogen. Die einzelnen Röhrchen in jedem Aggregat weisen eine relativ enge Durchmesserverteilung auf, wobei die Mehrheit im Bereich von 7–9 nm für Bündel, 8–12 nm für BN liegt). In jeder Aggregatmorphologie liegt im Wesentlichen der gesamte Kohlenstoff in Form von Nanoröhrchen vor. Die Abstände zwischen den Röhrchen in den Aggregaten sind groß, bis zu 100 nm (die Aggregate enthalten über 95% Leervolumen). Diese Fibril len sind im Allgemeinen frei von einer Überschicht aus thermischem Kohlenstoff. Solche Fibrillen und die Art ihrer Herstellung sind beispielsweise beschreiben in dem US-Patent Nr. 6,203,814; dem US-Patent der Nr. 5,500,200, dem US-Patent der Nr. 4,663,230; und dem US-Patent der Nr. 5,171,560, die alle dem Empfänger der vorliegenden Erfindung gehören. Die Inhalte dieser Anmeldungen und Patent werden durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
Obwohl diese Ausgangskohlenstofffibrillen bevorzugt sind, können andere Kohlenstoffnanoröhrchen wie Kohlenstoffbogen gezogene Nanoröhrchen oder andere Kohlenstofffibrillen mit Durchmessern im gleichen allgemeinen Bereich und bis zu etwa 50 nm ebenfalls angewandet werden, obwohl im Allgemeinen mit weniger befriedigenden Ergebnissen.
b) Verfahren
Siliziummonoxid (Johnson Mattey) wurde als Siliziumquelle genutzt. Wie in 1 gezeigt, besteht die Vorrichtung zur Umsetzung aus einem tubulären Widerstandsofen 10, umfassend ein Quarzrohr 15 mit den Endkappen 20. 200 mg SiO 25 wurden in ein Alluminiumschiffchen 30 gegeben und mit Quarzwolle 35 bedeckt. 50 mg der Kohlenstofffibrillen 40 wurden oben auf die Quarzwolle 35 gegeben.
Der Ofen 10 wurde mit Argon durch das Einlassröhrchen 45 und das Auslassröhrchen 50 in der durch die Pfeile angezeigten Richtung für 30 Minuten gespült, anschließend mittels Heizer 55 auf 1200°C erwärmt. Diese Temperatur wurde für 18 Stunden gehalten. Der Ofen 10 wurde anschließend abgeschaltet und auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Ar-Strömungsgeschwindigkeit während der Umsetzung betrug 60 cm³ pro Minute.
Die chemische Reaktion kann wie folgt formuliert werden: 2C(s) + SiO(g) = SiC(s) + CO(g)
Im Ofen bei den Betriebstemperaturen wurde das SiO zu SiO-Gas verdampft und das SiO Gas dann mit den Kohlenstoffnanoröhrchen zur Bildung von SiC und CO umgesetzt. Anschließend wurde das CO-Gas durch das Ar-Trägergas aus dem System entfernt.
c) Ergebnisse
Nach der Umsetzung mit SiO änderte sich die schwarze Farbe der Fibrillen ins hellgrünliche. Die grünliche Farbe zeigte die Bildung von SiC an. Im Wesentlichen wurde die gesamte Masse der ursprünglichen Kohlenstoffnanoröhrchen in SiC umgewandelt.
Die makroskopischen Morphologien der Produkte wurden mittels SEM untersucht. SEM-Photographien zeigten, dass die Produkte bestimmte morphologische Merkmale der Ausgangskohlenstofffibrillen erbten. Die mikroskopische Morphologie der Produkte wurde mit einem Durchstrahlungselektronenmikroskop und mittels Eichfeld-Elektronenbeugung charakterisiert. Die TEM-Photographien zeigten, dass die tubulären Kohlenstoffnanoröhrchen in feste SiC-Nanofibrillen 60 umgewandelt worden waren. Die Durchmesser dieser Nanofibrillen liegen hauptsächlich im Bereich von 10–20 nm und sind allgemein uniform für jede der Nanofibrillen (d. h. der Durchmesser ist im allgemeinen uniform entlang der Länge jedes Schaftes). Sowohl Röntgenbeugungs- als auch Beugungsstudien zeigten, dass die SiC-Nanofibrillen in der ß-SiC-Struktur kristallisiert waren. Darüber hinaus zeigte die Eichfeld-Elektronenbeugung von den einzelnen Nanofibrillen an, dass diese Nanofibrillen einkristallin sind. Polykristalline Formen werden von der vorliegenden Erfindung jedoch ebenfalls ausdrücklich in Betracht gezogen.
Obwohl der Umsetzungsmechanismus bzw. Reaktionsmechanismus nicht klar ist, scheint es, dass die Umsetzung der Kohlenstoffnanoröhrchen mit dem SiO-Dampf eine pseudotopotaktische Transformation ist, da der Prozess die externe Struktur, d. h. die geknickte, etwas mit einander verwobene makroskopische Morphologie der Kohlenstoffnanoröhrchen konservierte. Die typischen Durchmesser der SiC-Nanowhisker betragen etwa 20 nm, was etwa das Doppelte der typischen Durchmesser der Ausgangskohlenstoffnanoröhrchen ist. Die SiC-Nanowhisker können jedoch so klein wie 5 nm sein.
Aus den Kohlenstoffnanoröhrchen von Hyperion Catalysis werden im Wesentlichen nur SiC-Nanofibrillen mit Durchmessern von 5–100 nm erhalten. Im Wesentlichen der gesamte Kohlenstoff der Ausgangskohlenstoffnanoröhrchen oder -fibrillen wird in SiC umgewan delt, und im Wesentlichen ist all dies in Form von Nanofibrillen. Die ungefähren Verteilungen sind:
Einige wenige Fasern mit größerem Durchmesser (kleiner 100 nm) mit assoziierten Katalysatorteilchen sind ebenfalls ersichtlich. Diese stellen jedoch weniger als 1% des Gesamtproduktes dar. Im Wesentlichen die gesamte Masse des wiedergewonnenen SiC liegt in Form von Nanofibrillen vor.
Die SiC-Fasern liegen meist in Aggregatform als gebogenen, etwa miteinander verwobenen einzelne Fasern ähnlich der Morphologie der Kohlenstoffnanoröhrchen, aus denen sie hervorgegangen sind, vor. Die SiC-Fasern haben etwas größere Durchmesser als die Ausgangskohlenstoffnanoröhrchen, jedoch nicht ausreichend größer, um ein Wachstum durch Interfaserdiffusion von SiC oder mittels VLS anzuzeigen. Die Ähnlichkeit der Morphologie der einzelnen SiC-Fasern zu den anfänglichen Kohlenstoffnanoröhrchen zeigt ein topotaktisches Wachstum an. Da der exakte Mechanismus nicht mit Sicherheit bekannt ist, wird dies hierin als pseudo-topotaktisch bezeichnet.
Beispiel 2
a) Kohlenstoffquelle
Ein zweites Beispiel wurde durchgeführt unter Anwendung einer Probe von Streuröllchen (buckytubes) (Kern) bezogen von der MER Corporation.
b) Verfahren
Das Verfahren und die Temperaturen waren die gleichen, wie sie oben in Beispiel 1 beschrieben wurden.
c) Ergebnisse
Die unterscheidenden Merkmale der Produkte aus diesem Beispiel sind: 1) obwohl einige SiC-Nanofibrillen mit kleinem Durchmesser vorhanden sind (eine von diesen ist in 3b als 65 gezeigt), stellen diese kleinen Nanofibrillen einen kleinen Prozentsatz der gesamten Nanofibrillen dar und ist die Durchmesserverteilung breit, wobei diese von ca. 50 nm bis einige 100 nm reicht; 2) es gibt keine unterscheidenden Makrostrukturen oder Eigenschaften, um die Morphologie der SiC-Fasern mit der Morphologie der ursprünglichen Streuröhrchenprobe in Beziehung zu setzen; und 3) die Ausbeute des SiC in Nanofibrillen im Vergleich zur erzeugten Menge in anderer, nichtfasriger Formen und Strukturen ist gering.
Die Unterschiede zwischen den Produkten, die im Artikel von Zhou et al. beschrieben wurden (unter Verwendung von Streuröhrchen bei hoher Temperatur), und der vorliegenden Erfindung unter Anwendung entweder von Streuröhrchen oder von Nanoröhrchen zeigen an, dass ein topotaktisches Wachstum, charakteristisch für die vorliegende Erfindung, nur bei Temperaturen wesentlich kleiner als 1700°C (d. h. im Bereich von etwa 1000°C bis 1400°C versus 1700°C) auftritt. Bei der höheren Temperatur (d. h. etwa der Temperatur von 1700°C aus dem Artikel von Zhou et al.) wären die Fasern sehr viel dicker als Ergebnis der Interfaserdiffusion oder des Sinterns.
Die Carbidnanofibrillen gemäß der vorliegenden Erfindung mit im Allgemeinen uniformer und sehr geringer Größe sind zur Ausbildung extrem feiner Schleifmittel von Nanophasenkeramiken, Nanophasenkeramikverbundmateralien und als Versteifungselemente in Nanokompositen mit Metallmatrix unter Anwendung eines Hochtemperatur-, hochfesten Materials auf Metallbasis, insbesondere für Hochtemperatur-, hochfeste Anwendungen wie Gasturbinenblätter geeignet.
Andere Siliziumquellgase und Kombinationen von Gasen können ebenfalls verwendet werden neben der SiO-Quelle, die in den obigen Beispielen genutzt wurde. Beispielsweise kann eine Mischung von SiO₂ und Si bei einer Temperatur von 1000°C bis etwa 1400 °C ebenfalls genutzt werden. Andere beispielhafte Quellgase schließen die folgenden ein: SiH_xCl_(4–x), worin x = ganze Zahl; SiR_xY_(4–x), worin x = ganze Zahl und R = Alkyl, Aryl usw., Y = H oder Cl; Si(ZR)_xA_(4–x), worin x = ganze Zahl, A = R oder Cl, R = Alkyl, Aryl usw. und Z = O, N. selbstverständlich stellen diese nur Beispiele für Siliziumquellgase dar und es besteht keine Absicht, die Erfindung auf diese Beispiel alleine einzuschränken.
Die pseudo-topotaktische Umwandlung von Kohlenstoffnanofibrillen und Carbidnanofibrillen gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch mit anderen Metallen erzielt werden, die zur Bildung von Carbiden befähigt sind. In dieser Hinsicht können Bor, Titan, Tantal, Niob, Zirkonium, Hafnium, Molybdän und Wolfram unter anderem Carbide bilden. Das Verfahren zur Herstellung von Carbiden aus diesen Materialien wäre ähnlich dem Verfahren zur Herstellung von SiC, beschrieben in den Beispielen oben, d. h. die Kohlenstofffibrillen werden mit einem Gas auf Basis des Metalls bei einer Temperatur im Wesentlichen kleiner als 1700°C, vorzugsweise zwischen etwa 1000°C und 1400°C und am meisten bevorzugt um 1200°C herum in Kontakt gebracht.
Obwohl die Erfindung hierin unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform derselben beschrieben worden ist, besteht keine Absicht, den Bereich der Erfindung nur auf die beschriebene, bevorzugte Ausführungsform einzuschränken. Im Gegensatz ist der Bereich der Erfindung durch die angefügten Ansprüche abgemessen.

Claims

Eine Vielzahl Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbid überwiegend mit Durchmessern im Wesentlichen kleiner als etwa 100 nm, worin Q ein beliebiges Metall ist, das ein Carbid bilden kann.
Die Vielzahl von Nanofibrillen, wie in Anspruch 1 definiert, worin die Durchmesser im Bereich von etwa 5–50 nm liegen.
Die Vielzahl von Nanofibrillen, wie in Anspruch 2 definiert, worin die Durchmesser im Bereich von etwa 5–20 nm liegen.
Die Vielzahl von Nanofibrillen, wie in Anspruch 1 definiert, worin die meisten der einzelnen der Nanofibrillen einen im Allgemeinen uniformen Durchmesser aufweisen.
Die Vielzahl der Nanofibrillen, wie in Anspruch 1 definiert, worin die Nanofibrillen überwiegend nicht miteinander verschmolzen sind.
Die Vielzahl von Nanofibrillen, wie in Anspruch 1 definiert, worin Q Silizium ist.
Die Vielzahl von Nanofibrillen, wie in Anspruch 6 definiert, worin die Nanofibrillen überwiegend jeweils Einkristalle darstellen.
Die Vielzahl von Nanofibrillen, wie in Anspruch 7 definiert, worin der Einkristall eine β-Kristallstruktur aufweist.
Die Vielzahl von Nanofibrillen, wie in Anspruch 6 definiert, worin die Nanofibrillen polykristallin sind.
Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbid überwiegend mit Durchmessern im Wesentlichen unterhalb von etwa 100 nm, umfassend die Schritte: Erwärmen einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen oder – nanofibrillen überwiegend mit Durchmessern unterhalb von etwa 50 nm in einer Reaktionskammer in Anwesenheit eines Q-basierten Gases der Form Q_nA_m, worin Q ein beliebiges Metall ist, das ein Carbid bilden kann, A ein Element oder einen Rest darstellt und n und m ganze Zahlen darstellen, die zum Absättigen der Valenzen erforderlich sind, und eines Inertgases in einem Reaktionsbehälter auf eine Temperatur wesentlich kleiner als 1700°C, jedoch ausreichend hoch, um eine substantielle Reaktion des Q-basierten Gases mit dem Kohlenstoff der Kohlenstoffnanoröhrchen oder -nanofibrillen zu verursachen, um in situ feste Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbid und ein A-basiertes Gas zu bilden, wobei die Temperatur ausreichend gering ist, um ein substantielles Verschmelzen der einzelnen Carbid-Nanofibrillen zu verhindern, Entfernen mindestens eines Teils des A-basierten Gases aus der Reaktionskammer mit Fortschreiten der Reaktion und Aufrechterhalten der Temperatur so lange, bis im Wesentlichen der gesamte Kohlenstoff der Nanoröhrchen oder Nanofibrillen in ein Q-basiertes Carbid umgewandelt ist.
Eine Vielzahl von Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbid, die pseudotopotaktisch aus einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen oder – nanofibrillen mit einer makroskopischen Morphologie gezogen wurden, wobei die Carbidnanofibrillen überwiegend Durchmesser wesentlich unterhalb etwa 100 nm aufweisen, worin Q ein beliebiges Metall ist, das ein Carbid bilden kann.
Schleifmittel, umfassend eine Vielzahl von Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbid überwiegend mit Durchmessern im Wesentlichen unterhalb von etwa 100 nm, worin Q ein beliebiges Metall ist, das ein Carbid bilden kann.
Hochtemperatur-, hochfestes Nanophasenverbundmaterial,umfassend ein Hochtemperatur-, hochfestes metallisches Grundmaterial, verstärkt mit einer Vielzahl von Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbid überwiegend mit Durchmessern im Wesentlichen unterhalb von etwa 100 nm, worin Q ein beliebiges Metall ist, das ein Carbid bilden kann.
Hochtemperatur-, hochfestes Nanophasenkeramikmaterial, gesintert aus einer Vielzahl von Nanofibrillen aus einem Q-basierten Carbid überwiegend mit Durchmessern im Wesentlichen unterhalb von etwa 100 nm, worin Q ein beliebiges Metall ist, das ein Carbid bilden kann.
Eine Vielzahl von Q-basierten Carbid-Nanofibrillen oder -nanoröhrchen überwiegend mit Durchmessern unterhalb von etwa 100 nm, worin Q ein Element ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus B, Ti, Ta, Nb, Zr, Hf Mo und W.
Die Vielzahl von Q-basierten Carbidnanofibrillen oder -nanoröhrchen gemäß Anspruch 15, worin die Nanofibrillen ein Aspektverhältnis von etwa 10 bis 500 aufweisen.
Die Vielzahl von Q-basierten Carbidnanofibrillen oder -nanoröhrchen aus Anspruch 15, worin die Durchmesser unterhalb von 50 nm liegen.
Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Q-basierten Carbidnanofibrillen oder -nanoröhrchen überwiegend mit Durchmessern im Wesentlichen unterhalb von etwa 100 nm, umfassend das Erwärmen einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen oder -fibrillen überwiegend mit Durchmessern im Wesentlichen unterhalb von etwa 50 nm in einer Reaktionskammer in Anwesenheit von (i) einem Q-basierten Gas der Form Q_nA_m, worin Q ein Element ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus B, Ti, Ta, Nb, Zr, Hf Mo und W, A ein Element oder ein Rest ist und n und m ganze Zahlen darstellen, die zum Absättigen der Valenzen erforderlich sind, und (ii) einem Inertgas auf eine Temperatur im Wesentlichen unterhalb von 1700°C, jedoch ausreichend, um eine Reaktion des Q-basierten Gases mit dem Kohlenstoff der Kohlenstoffnanoröhrchen oder nanofibrillen zu verursachen, um in situ ein A-basiertes Gas und die Vielzahl von Q-basierten Carbid nanofibrillen oder -nanoröhrchen überwiegend mit Durchmessern im Wesentlichen unterhalb von etwa 100 nm zu bilden.