FR2673201A1 - Inorganic fibres based on silicon, carbon, nitrogen and oxygen - Google Patents
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Abstract
Description
FIBRES INORGANIOUES A BASE DE SILICIUM,
DE CARBONE, D'AZOTE ET D'OXYGENE
La présente invention concerne de nouvelles fibres inorganiques essentiellement à base de silicium, de carbone, d'azote et d'oxygène.INORGANIC FIBERS BASED ON SILICON,
OF CARBON, NITROGEN AND OXYGEN
The present invention relates to novel inorganic fibers essentially based on silicon, carbon, nitrogen and oxygen.
Elle concerne également un procédé d'obtention de telles fibres. It also relates to a process for obtaining such fibers.
Elle a trait enfin, à titre d'application, à l'utilisation de ces fibres dans la fabrication de matériaux composites dont la matrice est constituée de verre, de métal ou de céramique. Finally, it relates, as an application, to the use of these fibers in the manufacture of composite materials whose matrix consists of glass, metal or ceramic.
Les fibres inorganiques sont des matériaux bien connus et sont en général utilisés en tant que matériaux de renforcement. Inorganic fibers are well known materials and are generally used as reinforcing materials.
On connait ainsi de nombreuses fibres inorganiques essentiellement à base de silicium, de carbone, d'azote et d'oxygène. Many inorganic fibers are thus known essentially based on silicon, carbon, nitrogen and oxygen.
Cependant, ces fibres présentent l'inconvénient de perdre leurs propriétés mécaniques lorsqu'elles ont été traitées à des températures élevées, en général à des températures supérieures à 1200 C. However, these fibers have the disadvantage of losing their mechanical properties when they have been treated at high temperatures, generally at temperatures above 1200 C.
Le but de l'invention est donc de proposer de nouvelles fibres inorganiques présentant un maintien de leurs propriétés mécaniques après un traitement à des températures élevées. The object of the invention is therefore to provide new inorganic fibers having a maintenance of their mechanical properties after treatment at high temperatures.
Ce but et d'autres sont atteints par la présente invention qui concerne en effet des fibres inorganiques essentiellement à base de silicium, de carbone, d'azote et d'oxygène caractérisées en ce que leur composition élémentaire exprimée en rapports atomiques est la suivante: le rapport atomique rl correspondant au nombre d'atomes d'azote sur le nombre d'atomes de silicium est compris entre 0,01 et 0,6, le rapport atomique r2 correspondant au nombre d'atomes de carbone sur le nombre d'atomes de silicium est compris entre 0,01 et 2, le rapport atomique r3 correspondant au nombre d'atomes d'oxygène sur le nombre d'atomes de silicium est compris entre 0,01 et 0,15. This and other objects are achieved by the present invention which relates in fact to inorganic fibers essentially based on silicon, carbon, nitrogen and oxygen, characterized in that their elementary composition expressed in atomic ratios is as follows: the atomic ratio r 1 corresponding to the number of nitrogen atoms over the number of silicon atoms is between 0.01 and 0.6, the atomic ratio r 2 corresponding to the number of carbon atoms over the number of atoms silicon is between 0.01 and 2, the atomic ratio r3 corresponding to the number of oxygen atoms on the number of silicon atoms is between 0.01 and 0.15.
Les fibres selon l'invention correspondent, de préférence, à rl compris entre 0,1 et 0,6, r2 compris entre 0,5 et 1,5 et r3 compris entre 0,01 et 0,1. The fibers according to the invention preferably correspond to r1 between 0.1 and 0.6, r2 between 0.5 and 1.5 and r3 between 0.01 and 0.1.
De manière encore plus préférentielle, rl est compris entre 0,4 et 0,55, r2 est compris entre 0,7 et 1,3 et r3 est compris entre 0,03 et 0,07. Even more preferably, R 1 is between 0.4 and 0.55, R 2 is between 0.7 and 1.3 and R 3 is between 0.03 and 0.07.
Ainsi, c'est de par la composition même des fibres selon l'invention que le but indiqué ci-dessus est obtenu. Thus, it is from the very composition of the fibers according to the invention that the purpose indicated above is obtained.
Les fibres selon l'invention sont notamment obtenues par un procédé, qui va maintenant être décrit, constituant le deuxième objet de la présente invention. The fibers according to the invention are obtained in particular by a process, which will now be described, constituting the second object of the present invention.
Ce procédé d'obtention de fibres inorganiques essentiellement à base de silicium, de carbone, d'azote et d'oxygène est caractérisé en ce qu'il consiste en cinq étapes
1. Synthèse de copolymères constitués de 10 à 90 % molaire de motifs de formule
et de 75 à 25 % molaire de motifs de formule
formules dans lesquelles R1 et R2, identiques ou différents, représentent un atome d'hydrogène ou un radical hydrocarboné substitué ou non, saturé ou insaturé ;
2. Thermolyse des copolymères obtenus en 1. à des températures comprises entre 250 et 5000C sous atmosphère inerte ;
3. Filage des polymères obtenus en 2. This process for obtaining inorganic fibers essentially based on silicon, carbon, nitrogen and oxygen is characterized in that it consists of five stages
1. Synthesis of copolymers consisting of 10 to 90 mol% of units of formula
and from 75 to 25 mol% of units of formula
formulas in which R1 and R2, identical or different, represent a hydrogen atom or a substituted or unsubstituted hydrocarbon radical, saturated or unsaturated;
2. Thermolysis of the copolymers obtained in 1. at temperatures of between 250 and 5000 ° C. under an inert atmosphere;
3. Spinning of the polymers obtained in 2.
4. Réticulation des fibres obtenues en 3. par traitement sous rayons y ou sous rayonnements électroniques sous vide poussé ou, de préférence, sous une atmosphère neutre à une température inférieure au point de ramollissement du polymère filé, de préférence, à la température ambiante ;
5. Traitement thermique des fibres obtenues en 4. sous atmosphère non oxydante, à condition que lorsque la température atteinte est supérieure à environ 13000C, de préférence supérieure ou égale à 14000C, on opère sous atmosphère nitrurante.4. Crosslinking the fibers obtained in 3. by treatment with γ-radiation or electronic radiation under high vacuum or, preferably, under a neutral atmosphere at a temperature below the softening point of the spun polymer, preferably at room temperature;
5. Heat treatment of the fibers obtained in 4. in a non-oxidizing atmosphere, provided that when the temperature reached is greater than about 13000C, preferably greater than or equal to 14000C, one operates under a nitriding atmosphere.
Les copolymères constitués des motifs de formules (A) et (B) sont notamment obtenus par le procédé décrit dans le brevet
EP-A-0296028 et correspond plus spécifiquement à la copolymérisation de 10 à 90 % molaire d'un disilazane de formule
et de 90% à 10% molaire d'un silane de formule
(R2)2sicl2 (2) formules dans lesquelles R1 et R2 ont la définition donnée ci-dessus, R représente un atome d'halogène, de préférence le chlore.The copolymers consisting of the units of formulas (A) and (B) are especially obtained by the process described in the patent
EP-A-0296028 and more specifically corresponds to the copolymerization of 10 to 90 mol% of a disilazane of formula
and 90% to 10 mol% of a silane of formula
(R 2) 2sicl 2 (2) wherein R 1 and R 2 are as defined above, R is a halogen atom, preferably chlorine.
De préférence les copolymères synthétisés lors de l'étape 1. Preferably, the copolymers synthesized during step 1.
sont constitués de 25 à 75% molaire de motifs de formule (A) et de 75 à 25% molaire de motifs de formule (B). consist of 25 to 75 mol% of units of formula (A) and 75 to 25 mol% of units of formula (B).
Selon un mode préféré du procédé de l'invention, R1 et R2 représentent le radical méthyle. According to a preferred embodiment of the process of the invention, R 1 and R 2 represent the methyl radical.
Par atmosphère inerte dans l'étape 2., on entend selon l'invention, une atmosphère inerte vis-à-vis des réactifs présents telle que notamment l'argon ou l'azote. By inert atmosphere in step 2. is meant according to the invention, an atmosphere inert vis-à-vis reagents present such as argon or nitrogen.
La mise en forme des polymères consiste selon l'invention en un filage, et ceci par tout moyen connu en soi, et notamment par une filière classique après fusion ou dissolution dans un solvant du polymère. The shaping of the polymers consists according to the invention in a spinning, and this by any means known per se, and in particular by a conventional die after melting or dissolution in a solvent of the polymer.
Par vide poussé lors de l'étape 4. selon l'invention, on entend le vide dont la pression est d'au plus égale à 1,33.10-2
Pascal.By high vacuum during step 4. according to the invention, the vacuum is understood whose pressure is at most equal to 1.33.10-2
Pascal.
Par atmosphère neutre dans l'étape 4., on entend selon l'invention une atmosphère dans laquelle aucun gaz présent n'est susceptible de réagir avec les réactifs et les rayons traitants, telle que notamment l'argon. According to the invention, the neutral atmosphere in step 4 is understood to mean an atmosphere in which no gas present is capable of reacting with the reactants and the treating rays, such as in particular argon.
La dose nécessaire de rayons pour réticuler les fibres, c'est-à-dire pour que les fibres gardent leur intégrité physique lors du traitement thermique de l'étape 5., dépend des conditions opératoires. Pour fixer les idées, la dose nécessaire de rayons est supérieure ou égale à 300 mégarad (Mrad.). The necessary dose of rays to crosslink the fibers, that is to say so that the fibers retain their physical integrity during the heat treatment of step 5., depends on the operating conditions. To fix the ideas, the necessary dose of rays is greater than or equal to 300 megarad (Mrad.).
Par atmosphère non oxydante, on entend selon l'invention toute atmosphère dépourvue d'oxygène et d'eau. On opère, de préférence, sous atmosphère d'azote ou d'argon. By non-oxidizing atmosphere is meant according to the invention any atmosphere free of oxygen and water. The operation is preferably carried out under a nitrogen or argon atmosphere.
Par atmosphère nitrurante, on entend selon l'invention toute atmosphère contenant des atomes d'azote, telle que notamment l'azote ou l'ammoniac. By nitriding atmosphere is meant according to the invention any atmosphere containing nitrogen atoms, such as in particular nitrogen or ammonia.
Suivant les températures atteintes lors du traitement thermique de l'étape 5. du procédé selon l'invention, la microstructure des fibres varie. Depending on the temperatures reached during the heat treatment of step 5 of the process according to the invention, the microstructure of the fibers varies.
Ainsi, lorsque la température atteinte du traitement thermique est inférieure à environ 15000C les fibres selon l'invention sont constituées d'une phase amorphe. Thus, when the temperature reached in the heat treatment is less than about 15000C, the fibers according to the invention consist of an amorphous phase.
Lorsque la température atteinte du traitement thermique est supérieure à environ 15000C, les fibres selon l'invention sont constituées d'une phase amorphe et de particules cristallines ultrafines de -SiC dont le diamètre moyen ne dépasse pas 5 nm et, plus spécifiquement, ne dépasse pas 3 nm. When the temperature reached in the heat treatment is greater than about 15000C, the fibers according to the invention consist of an amorphous phase and ultrafine crystalline particles of -SiC whose average diameter does not exceed 5 nm and, more specifically, does not exceed not 3 nm.
Il est connu que les particules cristallines du type p-SiC sont un des facteurs qui engendre la dégradation des fibres à des températures élevées (perte des propriétés mécaniques). Cependant, dans le cas de la présente invention, l'apparition de ces particules cristallines est tardive (à environ 15000C) et celles-ci présentent un diamètre moyen ne dépassant pas 5 nm. It is known that crystalline particles of the p-SiC type are one of the factors that causes fiber degradation at high temperatures (loss of mechanical properties). However, in the case of the present invention, the appearance of these crystalline particles is late (at about 15000C) and they have an average diameter not exceeding 5 nm.
La pression de l'étape 5. du procédé est, en général, la pression atmosphérique. The pressure of step 5 of the process is, in general, the atmospheric pressure.
Il peut être, cependant, avantageux d'opérer à des pressions supérieures à la pression atmosphérique. It may, however, be advantageous to operate at pressures above atmospheric pressure.
De façon tout à fait inattendue, la Demanderesse a pu constater que la composition générale élementaire des fibres selon l'invention relative aux éléments essentiels mentionnés ci-dessus ne dépend pas de la température maximale atteinte lors du traitement thermique de l'étape 5. dans les conditions opératoires indiquées ci-dessus. Cette composition dépend principalement du copolymère obtenu lors de l'étape 1. du procédé selon l'invention. Quite unexpectedly, the Applicant has found that the general elemental composition of the fibers according to the invention relating to the essential elements mentioned above does not depend on the maximum temperature reached during the heat treatment of step 5. the operating conditions indicated above. This composition depends mainly on the copolymer obtained in step 1 of the process according to the invention.
En fonction des conditions opératoires du procédé permettant d'obtenir les fibres selon l'invention, les fibres peuvent présenter des impuretés en faible quantité et de l'hydrogène. Les fibres peuvent présenter, outre du silicium, du carbone, de l'azote et de l'oxygène, de l'hydrogène dont le rapport atomique r4 du nombre d'atomes d'hydrogène sur le nombre d'atomes de silicium est au plus de 0,4, et de préférence au plus de 0,1. Depending on the operating conditions of the process for obtaining the fibers according to the invention, the fibers may have impurities in a small amount and hydrogen. The fibers may have, besides silicon, carbon, nitrogen and oxygen, hydrogen whose atomic ratio r4 of the number of hydrogen atoms on the number of silicon atoms is at most 0.4, and preferably at most 0.1.
Les fibres selon l'invention trouvent une application importante dans les matériaux composites à matrice verre, métal ou céramique, dans lesquels elles sont utilisées en tant qu'agents de renforcement. The fibers according to the invention find an important application in composite materials with a glass, metal or ceramic matrix, in which they are used as reinforcing agents.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans en limiter sa portée. The following examples illustrate the invention without limiting its scope.
Dans ces exemples, on a mesuré le module élastique E en gigapascal (GPa) selon une méthode analogue à la norme ASTM.D 3379-75 sur filaments unitaires à température ambiante. In these examples, the elastic modulus E in gigapascal (GPa) was measured according to a method analogous to ASTM D 3379-75 on unit filaments at ambient temperature.
La contrainte à la rupture tr dénommée également résistance à la traction est mesurée en mégapascal (MPa) selon une méthode analogue à la norme ASTM.D 3379-75 sur un filament unique de 10mm de longueur. The tensile strength tr also referred to as tensile strength is measured in megapascal (MPa) according to a method analogous to ASTM D 3379-75 on a single filament of 10 mm in length.
La valeur de tr indiquée est celle obtenue en faisant la moyenne arithmétique sur 20 éprouvettes, prélevées de façon aléatoire, à température ambiante. The value of tr indicated is that obtained by making the arithmetic mean on 20 specimens, taken at random, at room temperature.
Mw est la masse molaire moyenne en poids. Mw is the average molar mass by weight.
THF est le tétrahydrofurane. THF is tetrahydrofuran.
EXEMPLE 1
Dans un ballon de 500 ml muni d'une agitation magnétique, d'une ampoule à brome isobare, d'une entrée de gaz inerte (argon ou azote) et d'un réfrigérant, on introduit le toluène et le sodium.EXAMPLE 1
In a 500 ml flask equipped with a magnetic stirrer, an isobaric dropping funnel, an inlet of inert gas (argon or nitrogen) and a condenser, are introduced toluene and sodium.
Le mélange est chauffé au reflux. The mixture is heated to reflux.
Lorsque la dispersion du sodium fondu est suffisamment fine, on introduit goutte à goutte le mélange diméthyldichlorosilane (50% molaire) et (Me2ClSi)2NH (50% molaire). When the dispersion of the molten sodium is sufficiently fine, the mixture dimethyldichlorosilane (50 mol%) and (Me 2 ClSi) 2 NH (50 mol%) are introduced dropwise.
Au bout de quelques heures de reflux, on laisse refroidir sous atmosphère inerte et on filtre sur fritté en boîte à gants sous atmosphère inerte. On obtient ainsi une solution limpide et incolore. After a few hours of reflux, the mixture is allowed to cool under an inert atmosphere and is sintered in a glove box under an inert atmosphere. A clear and colorless solution is thus obtained.
Le solide bleu restant est repris au toluène puis filtré (opération effectuée deux fois). Les deux filtrats ainsi obtenus sont ajoutés au premier, l'ensemble est concentré sous pression réduite. Après distillation et séchage, on obtient un copolymère soluble dans la plupart du solvant.The remaining blue solid is taken up in toluene and then filtered (operation carried out twice). The two filtrates thus obtained are added to the first, the whole is concentrated under reduced pressure. After distillation and drying, a copolymer soluble in most of the solvent is obtained.
La thermolyse du polysilazane ainsi obtenu est effectuée par chauffage progressif du ballon à l'aide d'un bain de sable fluidisé jusqu'à une température de 4000C. Un polycarbosilazane est obtenu CMw = 15200). The polysilazane thus obtained is thermolysed by progressive heating of the flask using a fluidized sand bath to a temperature of 4000 ° C. A polycarbosilazane is obtained CMw = 15200).
Ce polycarbosilazane est ensuite filé par voie fondue de telle façon qu'un monofilament continu de 25 jua de diamètre est produit. This polycarbosilazane is then melt-spun such that a continuous monofilament of 25 μm in diameter is produced.
Ce monofilament est coupé tous les 50 mm. This monofilament is cut every 50 mm.
Ces monofilaments de 50 mm de polycarbosilazane sont introduits en bote sèche, sous argon, dans des containers en aluminium. Ces containers sont fermés de façon étanche dans la boite à gants et sont alors introduits dans une chambre irradiée par une source de 60 Co avec une dose de 350 Mrad. à la température ambiante. These monofilaments of 50 mm polycarbosilazane are introduced in a dry container, under argon, in aluminum containers. These containers are sealed in the glove box and are then introduced into a chamber irradiated by a 60 Co source with a dose of 350 Mrad. at room temperature.
Après irradiation, les monofilaments sont soumis à un traitement thermique jusqu a to = 8500C sous atmosphère d'argon (vitesse de montée en température : 50 C/heure, plateau de 15 minutes à 8500C). After irradiation, the monofilaments are subjected to a heat treatment up to = 8500C under an argon atmosphere (rate of rise in temperature: 50 C / hour, plateau of 15 minutes at 8500C).
Les monofilaments ainsi traités ne sont plus sensibles à l'air et à l'humidité. The monofilaments thus treated are no longer sensitive to air and moisture.
Le rendement est de 80% en poids. The yield is 80% by weight.
EXEMPLE 2
Les monofilaments obtenus à l'exemple 1 sont soumis à des traitements thermiques sous atmosphère d'azote jusqu'à différentes températures : t1 = 1000 C, t2 = 12000C ; t3 = 14000C et t4 = 16000C (vitesse de montée en température : 600C/minute, plateau de 15 minutes à respectivement t1, t2, t3 ou t4).EXAMPLE 2
The monofilaments obtained in Example 1 are subjected to heat treatments under a nitrogen atmosphere up to different temperatures: t1 = 1000 ° C., t2 = 12000 ° C. t3 = 14000C and t4 = 16000C (rate of rise in temperature: 600C / minute, plateau of 15 minutes at respectively t1, t2, t3 or t4).
Les résultats des exemples 1 et 2 sont rassemblés dans les tableaux 1 et 2 suivants
The results of Examples 1 and 2 are collated in the following Tables 1 and 2
<tb> <SEP> to <SEP> t1 <SEP> t3 <SEP> t4
<tb> r1 <SEP> 0,46 <SEP> 0,46 <SEP> 0,46 <SEP> 0,48
<tb> r2 <SEP> 0,93 <SEP> 0,93 <SEP> 0,93 <SEP> 0,98
<tb> r3 <SEP> 0,05 <SEP> 0,05 <SEP> 0,05 <SEP> 0,05
<tb> j <SEP> microstructure <SEP> I <SEP> amorphe <SEP> j <SEP> amorphe <SEP> j <SEP> amorphe <SEP> j <SEP> amorphe <SEP> j <SEP>
<tb> ssSiC <SEP> (3nm)
<tb>
Tableau 1
Tableau 1 : composition élémentaire et microstructure des monofilaments obtenus dans les exemples 1 et 2.
<tb><SEP> to <SEP> t1 <SEP> t3 <SEP> t4
<tb> r1 <SEP> 0.46 <SEP> 0.46 <SEP> 0.46 <SEP> 0.48
<tb> r2 <SEP> 0.93 <SEP> 0.93 <SEP> 0.93 <SEP> 0.98
<tb> r3 <SEP> 0.05 <SEP> 0.05 <SEP> 0.05 <SEP> 0.05
<tb> j <SEP> microstructure <SEP> I <SEP> amorphous <SEP> j <SEP> amorphous <SEP> j <SEP> amorphous <SEP> j <SEP> amorphous <SEP> j <SEP>
<tb> ssSiC <SEP> (3nm)
<Tb>
Table 1
Table 1: Elemental composition and microstructure of the monofilaments obtained in Examples 1 and 2.
<tb><Tb>
<SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I
<tb> <SEP> I <SEP> t1 <SEP> I <SEP> t2 <SEP> | <SEP> t3 <SEP> I <SEP> t4 <SEP> 1
<tb> E <SEP> 185 <SEP> 215 <SEP> 215 <SEP> 220
<tb> (GPa) <SEP>
<tb> tr <SEP> 2400 <SEP> 2500 <SEP> 2250 <SEP> 2200
<tb> (MPa)
<tb>
Tableau 2
EXEMPLE COMPARATIF 3
Les monofilaments obtenus à l'exemple 1 sont soumis à des traitements thermiques sous atmosphère d'argon jusqu'à t3 = 14000C.<SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I
<tb><SEP> I <SEP> t1 <SEP> I <SEP> t2 <SEP> | <SEP> t3 <SEP> I <SEP> t4 <SEP> 1
<tb> E <SEP> 185 <SEP> 215 <SEP> 215 <SEP> 220
<tb> (GPa) <SEP>
<tb> tr <SEP> 2400 <SEP> 2500 <SEP> 2250 <SEP> 2200
<tb> (MPa)
<Tb>
Table 2
COMPARATIVE EXAMPLE 3
The monofilaments obtained in Example 1 are subjected to heat treatments under an argon atmosphere up to t3 = 14000C.
La contrainte à la rupture des monofilaments ainsi obtenus est égale à 1900 MPa. The breaking stress of the monofilaments thus obtained is equal to 1900 MPa.
On constate également à la surface de ces monofilaments le début d'une décomposition. On the surface of these monofilaments there is also the onset of decomposition.
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FR9102253A FR2673201A1 (en) | 1991-02-26 | 1991-02-26 | Inorganic fibres based on silicon, carbon, nitrogen and oxygen |
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---|---|---|---|
FR9102253A Withdrawn FR2673201A1 (en) | 1991-02-26 | 1991-02-26 | Inorganic fibres based on silicon, carbon, nitrogen and oxygen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR2673201A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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FR2611208A1 (en) * | 1987-02-25 | 1988-08-26 | Shinetsu Chemical Co | PROCESS FOR THE PREPARATION OF POLYORGANOSILAZANES AND CERAMIC MATERIALS BY DERIVING |
EP0295807A2 (en) * | 1987-06-08 | 1988-12-21 | Dow Corning Corporation | Silane modified polysilacyclobutasilazanes |
EP0296028A2 (en) * | 1987-06-10 | 1988-12-21 | Societe Europeenne De Propulsion (S.E.P.) S.A. | Polymers with Si-N and Si-Si links, polycarbosilazanes obtained by pyrolysis of these copolymers, and use of the polycarbosilazanes for preparing carbides and nitrides of silicium |
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1991
- 1991-02-26 FR FR9102253A patent/FR2673201A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Title |
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