NO751762L

NO751762L -

Info

Publication number: NO751762L
Application number: NO751762A
Authority: NO
Inventors: S Prochazka
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1974-05-20
Filing date: 1975-05-16
Publication date: 1975-11-21
Also published as: FR2272032B1; DE2518950A1; JPS50160200A; NL7505601A; FR2272032A1

Description

Siliciumcarbids kjemiske og fysiske egenskaper gjør at det er et utmerket materiale for byggedeler som utsettes for høye tempera-turer. Blant disse egenskaper kan nevnes en god. motstandsdyktighet overfor oxydasjon og korrosjon, en god varmeoverføringskoeffisient, en lav varmeekspansjonskoeffisient, en god motstandsdyktighet overfor varmesjokk og høy fasthet ved forhøyet, temperatur. Denne særpregede kombinasjon av egenskaper gjør s i1ic i urnea rb id til et naturlig valg som deler for gassturbiner, tilbakeslagsventiler for håndtering av korroderende væsker og flytende metaller, foringer for kulemøller, varmevekslere og ildfaste materialer for høytemperatur-ovner, pumper for sprøytestøpemaskiner og forbrenningsrør.

I søkernes norske patentsøknad nr. 74 2223, innlevert 19. juni 1974, er det beskrevet en ny fremgangsmåte for fremstilling av for-mede siliciumcarbidgjenstander hvor det anvendes en enkel, rimelig og vanlig formningsteknikk for keramiske gjenstander. Den nye fremgangsmåte er rettet på fremstilling av en tett keramisk, gjenstand av siliciumcarbid hvor det dannes en homogen dispersjon av et pulver med en partikkelstørrelse under 1 /^~- m og bestående i det vesentlige av siliciumcarbid, et borhoIdig tilsetn ingsniiddel og et carbonholdig tilsetningsmiddel. Dispersjonen formes deretter til en formet rågjenstand og sintres trykkfritt i en atmosfære med regulert sammensetning som er inert overfor siliciumcarbid, ved en temperatur på 1900~2100°C for fremstilling av en formet silicium-carbidg j enstand med en egenvekt på minst 8 5% av den teoretiske egenvekt. Det foretrukne produkt har en egenvekt på minst 98% av den teoretiske egenvekt. Det er egnet for anvendelse som kon-struksjonsmateriale for f.eks. høytemperaturgassturbinmotorer for luftfartøy^selvdrevende kjøretøy og elektrisk: kraftgenerering. Denne fremgangsmåte gjør det nu mulig å sintre den keramiske gjenstand inntil den får en høy egenvekt uten samt? dig å måtte an vone-e

trykk.

For å sette igang sintr.ingen av siliciumcarbid under trykk-frie betingelser må utgangsmaterialet være et oxygenfritt pulver med en partikkelstørrelse under l/^m og inneholdende homogent dispergerr. en effektiv mengde av et borhold.ig tilsetningsmiddel og carbon. Flere metoder lean anvendes for å innføre boret og carbonet i sil-iciumcarbidpulveret. Det er imidlertid vanskelig å oppnå en. for-deling når partiklene har en størrelse under l^ m, og en slik for-deling kan ikke oppnås ved hjelp av vanlig blanding av pulvere, delvis fordi carbon er sterkt tilbøyelig til å aggregere til klumper med stort volum. Et- annet krav er at pulveret skal inneholde bare det kubiske ^ -siliciumcarbid.

Oppfinnelsen angår et pulver med partikler med en størrelselander 1/.t._-m og som er i stand til å bli sintret til en silicium-carbidg j ens tand med en egenvekt på minst 9 5% av den teoretiske egenvekt for siliciumcarbid, og pulveret er særpreget ved at det i det vesentlige består av en homogen dispersjon av j$ -siliciumcarbid, 0,2-1,0 vekt% bor og 0,2-1,0 vekt% fritt carbon, idet dispersjonen utgjøres av ikke-aggregerte krystallitter dannet ved om-setning i dampfase.

Oppfinnelsen angår dessuten en fremgangsmåte for fremstilling av pulveret ifølge; oppfinnelsen, og fremgangsmåten er særpreget ved at

a) det tilveiebringes en plasmastrålereaksjonssone,

b) en damp av en blanding bestående i det vesentlige av et silicium-halogenid, et borhalogenid og hydrocarbon innføres i den ene ende

av reaksjonssonen med en slik hastighet at det i denne fås en

turbulent strøm,

c) en oppstrømsdel av reaksjonssonen holdes på en tilstrekkelig temperatur til at det fås en termisk ekssitering og ioniserende

aktivering av de reaktive komponenter, og

d) et materiale i det vesentlige bestående av en homogen dispersjon av /a-siliciumcarbid, 0,2-1,0 vekt% bor og 0,2-1,0 vekt% fritt

carbon utvinnes fra den annen ende av reaksjonssonen, idet dis-pers jonen er særpreget ved at den består av ikke-aggregerte krystall itter.

Den i den ene ende'av reaksjonssonen innførte dampblanding inneholder forbindelser av silicium og "bor, som siliciumhalo-genid, siian, alkylhalogensilan, borhalogenid eller bor etc.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i forbindelse med tegningen.

Utredninger og oversikter for plasmakjemi er gitt av

V.J. Iberson og medarbeidere i Industrial and Engineering Chemistry, 61, nr. 11, november 1969, s. 48-61, og av F.B. Vurzel og medarbeidere i Industrial and Engineering Chemistry, 62:, nr. 6, juni 1970, s. 8-22. I disse artikler er beskrevet kjemiske synteser og reaksjoner som forekommer i plasma med lav temperatur, dvs. en kvasinøytra1 gass som er særpreget ved en delvis eller fullstendig ionisering av gasser. Plasma kan typisk utvikles i likestrøms-eller vekselsstrømsplasmageneratorer, i en induksjonsplasmabrermer eller i en mikrobølgeplasmagenerator.

På tegningen er skjematisk vist en likestrømsplasmastråle-generator som er gunstig for anvendelse ved kjemisk syntetisering av det sintrerbare siliciumcarbidpulver ifølge oppfinnelsen. Ved denne? metode for plasmafremstilling frigjøres elektrisk energi ved hjelp av en elektrisk utladning i en plasmadannende gass, som argon, helium eller hydrogen. Katoden 12 kan være laget av wolfram, molybden, carbon el].er kobber (vannavkjølt) og kan være slik ut-formet at den plasmadannende gass tilføres rundt katoden 12 gjennom det konsentriske rør 14 og ledes inn i reaksjor;ssonen 20. Anoden 16 er laget av kobber og avkjøles med vann som strømmer gjennom kanaler 18. Reaksjonsgassblandingen innføres i reaksjonssonen 20 gjennom reaktantinnløpet 22 og injiseres tangensialt gjennom inn-løpsåpningen 2 4 under dannelse av en hvirvelstrøm. Gassene strøm-mer derefter gjennom et avkjølt munnstykke 26 som inneholder kjøle-vannskanaler 28, og strømmer ut gjennom utløpet 30. Reaksjonspro-duktene avkjøles derefter for utvinning av detønskede produkt.

Det er vanlig at bråkjøling er nødvendig for en plasmareaksjon,

men da siliciumcarbid er den mest stabile forbindelse innen systemet, er det ikke nødvendig med en hurtig avkjøling. Det meget findelte SiC er imidlertid ømfintlig overfor oxydasjon ved forhøyet temperatur, og reaksjonsproduktet må derfor beskyttes mot luft før det av-kjøles til værelsetemperatur.

Det finnes flere metoder for å fjerne varme fra gasser, som f.eks., ved å lede gassene gjennom en vannkjølt kanal, ved. å inn-føre ytterligere kald inert gass, ved å sprøyte inn en inert væske eller ved å lede gassene gjennom et. fluidisert skikt etc. Valget av den bent egnede teknikk vil hovedsakelig være avhengig av produk-

sjonsskalaen, dvs. av den varmemengde som skal fjernes.

En vannkjøit kanal av rustfritt, stål kombinert med utvinning av SiC-pulveret ved vasking av gassene med triklorethylen kan til-fredsstillende anvendes for en plasmastrålereaktor. Den varme som er igjen i gassene efter at disse har passert gjennom kanalen, fjernes ved hjelp av væsken som derved vil koke og fordampe og som senere kondenseres ved hjelp av vannavkjøling av gassutløpskanalen fra va s ke app a r a te t.

Reaksjonsgassblandingen inneholder flyktige silicium- og bor-forbindelser, som siliciumklorid eller -fluorid og bortrifluorid eller bortriklorid, sammen med et hydrocarbon, som toluen, og hydrogen som bærergass. Forholdene mellom disse reaktanter er slike at det efter reaksjonen vil fås en homogen dispersjon av

/^-siliciumcarbid inneholdende 0,2-1,0 vekt% bor og o,2-1,0 vekt% fritt carbon.

Eksempel 1 _

Ved anvendelse av i det vesentlige samme type likestrøms-plasmastrålereaktor som er vist på tegningen,- ble en oppløsning av siliciumtetraklorid, bortriklorid og toluen fremstilt med de føl-gende forholdsvise mengder av bestanddelene:

Bortriklorid som er en gass ved værelseternperatnr, ble satt til den flytende blanding av de andre bestanddeler mens blandingen ble avkjølt med tørris for å hindre tap på grunn av fordampning. Blandingen bie i en mengde av ca. 60 cm"/min innført gjennom et koaksialt munnstykke i en hydrogenstrøm på 3 2 l/min. Hydrogengassen ble forvarmet på oppstrømssiden til ca. 250°C for å fordampe alle væsker og for å danne en dampblanding. Denne gassblanding av reaktanter ble innført i reaksjonskammeret for plasmajetreaktoren med den på tegningen viste utformning og som ble drevet fylt med argon og med en krafttilførsel'på ca. 15 kw.

Det fra reaksjonsgassene utvundne produkt var et siliciumcarbidpulver mod partikler med en størrelse under 1/U.m og inneholdende ca. 0,4 vekt.% bor og 0,5 vekt% fritt carbon. Det erholdte

Claims

1. Pulver med en partikkalstørrelse under 1 A--m og i stand tii å sintres til en siliciumcarbidgjenstand med en egenvekt på minst 95% av den teoretiske egenvekt for siliciumcarbid, karakterisert ved at pulveret i det vesentlige består av en homogen dispersjon av $ -siliciumcarbidr 0,2-1,0 vekt-; bor og 0,2-1,0 vekt% fritt carbon, idet dispersjonen er særpreget ved at den består av ikke-aggregerte krystallitter dannet ved om-setning i dampfase.

2. Pulver ifølge krav 1, karakterisert ved at dispersjonen i det vesentlige består av /$-siliciumcarbid, ca.

0,4 vekt% bor og ca. 0,5 vekt% carbon.

3. Pulver ifølge krav 1. karakterisert ved at dispersjonen i det vesentlige består av ikke-aggregerte krystallitter med en gjennomsnittlig størrelse på ca. 0,2 >ra og et overflate-areal på over 5 m"'/g.

4. Fremgangsmåte ved fremstilling av et pulver ifølge krav 1-3, karakterisert ved . at a) det tilveiebringes en plasmastrålereaksjonssone, b) en damp av en blanding i det vesentlige bestående av et silicium-halogenid, et borhalogenid og hydrocarbon ledes i.nn i den ene ende av reaksjonssonen med en slik hastighet at det i denne fås e n t u r bu 1 e n t s t r øm, c). en oppstrømsdel av reaks jonssonen holdes på en tilstrekkelig temperatur til at det fås en termisk ekssitering og ioniserende aktivering av de reaktive bestanddelerP pg d) et materiale bestående i det vesentlige av en homogen dispersjon av / s -siliciumcarbid, 0,2-1,0 vekt% bor og 0,2-1,0 vekt% fritt carbon utvinnes fra denf innen ende; av reaks jonssonen, idet dispersjonen er særpreget ved at den består av ikke-aggregerte krystallitter.