DE10009530A1 - Process for the isothermal and isobaric chemical gas infiltration or refractory materials into a porous structure comprises sealing a part of the surface of a porous structure - Google Patents
Process for the isothermal and isobaric chemical gas infiltration or refractory materials into a porous structure comprises sealing a part of the surface of a porous structureInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemischen Gasphaseninfiltration einer porö sen Struktur mit refraktären Stoffen, insbesondere Kohlenstoff, sowie eine bevorzug te Verwendung des Verfahrens.The invention relates to a method for chemical gas phase infiltration of a por structure with refractory materials, especially carbon, as well as a preferred te use of the method.
Die chemische Gasphaseninfiltration ist der wichtigste Prozess zur Infiltration refrak tärer Stoffe in eine poröse Struktur und damit auch der wichtigste Prozess zur Her stellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit einer Matrix aus Siliziumcarbid oder Kohlenstoff. Die Probleme der chemischen Gasphaseninfiltration sind allgemein bekannt und in der wissenschaftlichen sowie der Patentliteratur eingehend beschrie ben [W. V. Kotlenski in Chemistry and Physics of Carbon (Edited by P. L. Walker and P. A. Thrower), p. 173, Marcel Dekker, New York, 1973; DE 41 42 261 A1 (1993)]. Das Hauptproblem bei der isobaren, isothermen chemischen Gasphaseninfiltration besteht darin, dass das Eduktgas vor seiner Zersetzung in die poröse Struktur diffun dieren muss. Gelingt dies nicht, so kommt es zu einer verstärkten Abscheidung in den Oberflächenbereichen der porösen Struktur. Die Folge sind Abscheidungsgradi enten, die von der Oberfläche in das Innere der Struktur abfallen und letztlich zum Verschluss der Oberfläche führen, so dass eine ausreichende Infiltration des inneren nicht erreicht wird.Chemical gas phase infiltration is the most important process for infiltrating refractory materials into a porous structure and thus also the most important process for the production of fiber-reinforced composites with a matrix of silicon carbide or carbon. The problems of chemical gas phase infiltration are generally known and are described in detail in the scientific and patent literature [WV Kotlenski in Chemistry and Physics of Carbon (Edited by PL Walker and PA Thrower), p. 173, Marcel Dekker, New York, 1973; DE 41 42 261 A1 ( 1993 )]. The main problem with isobaric, isothermal chemical gas phase infiltration is that the reactant gas must diffuse into the porous structure before it is decomposed. If this does not succeed, there is an increased deposition in the surface areas of the porous structure. The result is deposition gradients that drop from the surface into the interior of the structure and ultimately lead to the closure of the surface, so that adequate infiltration of the interior is not achieved.
In der Patentschrift [DE 196 46 094 C2 (1998)] wurden deshalb Bedingungen für die isotherme, isobare chemische Gasphaseninfiltration vorgeschlagen, mit denen die ses Problem weitgehend beherrschbar sein soll. Wesentliche Merkmale sind eine Strömungsführung mit Hilfe von Einbauten, so dass das Gas mit hoher Geschwindig keit in engen Spalten durch den Reaktor strömt. Aufgrund der vorgeschlagenen Ein bauteile erfolgt die Infiltration "allseitig", in jedem Fall jedoch von sich gegenüberlie genden Seiten.The patent [DE 196 46 094 C2 ( 1998 )] therefore proposed conditions for isothermal, isobaric chemical gas phase infiltration with which this problem should be largely manageable. Essential features are flow control with the help of internals, so that the gas flows through the reactor at high speed in narrow gaps. Due to the proposed components, infiltration takes place "on all sides", but in any case from opposite sides.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur chemischen Gaspha seninfiltration zu schaffen, bei dem im Vergleich zum Stand des Wissens und der Technik sowohl eine wesentlich schnellere Infiltration als auch in besonderem Maß eine bessere Füllung der porösen Struktur gelingt.The invention has for its object a method for chemical gas phase to create seninfiltration, in comparison to the state of knowledge and the Technology both a much faster infiltration and to a special degree the porous structure is better filled.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen gemäss Anspruch 1 gelöst. Dieses Verfahren basiert auf einem Paradoxon, was bedeutet, dass die schnellere Infiltration und vor allem die bessere Füllung der porösen Struk tur dann erreicht werden, wenn der Diffusionsweg für das Eduktgas durch Abschir mung, Ummantelung oder Versiegeln ausgewählter Oberflächenbereiche der porö sen Struktur verlängert und gegebenenfalls maximal wird.According to the invention, the object is achieved with a method with the features according to Claim 1 solved. This procedure is based on a paradox, which means that the faster infiltration and especially the better filling of the porous structure be achieved when the diffusion path for the educt gas by shielding Sealing, coating or sealing selected surface areas of the porö This structure is lengthened and possibly maximized.
Die Vorgehensweise lässt sich am einfachsten am Beispiel einer unendlich ausge dehnten porösen Platte der Dicke 2L illustrieren. Üblicherweise wird man eine derarti ge Platte von beiden Seiten infiltrieren; in diesem Fall wäre der Diffusionsweg L. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt der Diffusionsweg 2L. Hierzu wird eine Seite so abgeschirmt oder versiegelt, dass das Gas von dieser Seite nicht oder im Vergleich zur gegenüberliegenden Seite nur in vernachlässigbarem Maße in die poröse Platte eindiffundieren kann. Letztere Einschränkung gilt nur für den Fall, dass ein vollständiges Versiegeln einer Seite technisch extrem schwierig oder aufwendig ist.The easiest way to illustrate the procedure is the example of an infinitely extended porous plate with a thickness of 2 L. Usually you will infiltrate such a plate from both sides; in this case the diffusion path would be L. According to the method according to the invention, the diffusion path is 2 L. For this purpose, one side is shielded or sealed in such a way that the gas cannot diffuse into the porous plate from this side, or only to a negligible extent compared to the opposite side . The latter restriction only applies in the event that a complete sealing of a page is technically extremely difficult or complex.
Im Prinzip ist es auch möglich, dass trotz Abschirmung oder Versiegelung einer Seite der unendlich ausgedehnten Platte der Diffusionsweg 2L nicht ausreichend lang ist. In diesem Fall kann zur Verlängerung des Diffusionsweges vor der nicht ummantel ten bzw. versiegelten Seite der Platte eine weitere zu infiltrierende Platte der porösen Struktur oder eine Platte aus einem Hilfsstoff angebracht oder fixiert werden. Letztere besitzt eine hohe offene Porosität von vorzugsweise über 80% und besteht aus einem sehr preiswerten Material wie beispielsweise einem Filz oder Vlies aus Kohlen stoff-, Stein- oder Glas- oder ähnlichen Fasern.In principle, it is also possible that despite shielding or sealing one side of the infinitely extended plate, the diffusion path 2 L is not sufficiently long. In this case, in order to extend the diffusion path, a further plate of the porous structure or a plate made of an auxiliary can be attached or fixed in front of the uncoated or sealed side of the plate. The latter has a high open porosity of preferably over 80% and consists of a very inexpensive material such as a felt or fleece made of carbon, stone or glass or similar fibers.
Das Wesen und die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgen den anhand von Beispielen der Infiltration von Kohlenstoff unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Diese zeigen:The essence and the advantages of the method according to the invention will follow the example of carbon infiltration with reference to the Figures shown. These show:
Fig. 1. eine Platte mit den Abmessungen B × D × H zur Erläuterung der Versiege lung der Oberfläche. Fig. 1. a plate with the dimensions W × D × H to explain the sealing treatment of the surface.
Fig. 2. eine Schemaskizze der verwendeten Reaktoren mit Innendurchmessern von 22 mm und 40 mm. Fig. 2. is a schematic sketch of the reactors used with inner diameters of 22 mm and 40 mm.
Fig. 3. Abscheidungsgeschwindigkeiten von Kohlenstoff in 17 mm langen, überein ander angeordneten, einseitig verschlossenen Kapillaren in Abhängigkeit von der Tiefe/Länge der Kapillaren, erhalten bei folgenden Reaktionsbedin gungen: Temperatur 1100°C, Methandruck 20 kPa, Verweilzeit des Gases 0.08 s. (.) Ergebnis für beidseitig offene Kapillare. Fig. 3. Deposition rates of carbon in 17 mm long, one above the other, one-sided closed capillaries depending on the depth / length of the capillaries, obtained under the following reaction conditions: temperature 1100 ° C, methane pressure 20 kPa, residence time of the gas 0.08 s. (.) Result for capillaries open on both sides.
Fig. 4. Abscheidungsgeschwindigkeiten von Kohlenstoff in 17 mm langen, überein ander angeordneten, einseitig verschlossenen Kapillaren in Abhängigkeit von der Tiefe/Länge der Kapillaren, erhalten bei folgenden Reaktionsbedin gungen: Temperatur 1125°C, Methandruck 20 kPa, Verweilzeit des Gases 0.08 s. (.) Ergebnis für beidseitig offene Kapillare. Fig. 4. Deposition rates of carbon in 17 mm long, one on top of the other, closed capillaries depending on the depth / length of the capillaries, obtained under the following reaction conditions: temperature 1125 ° C, methane pressure 20 kPa, residence time of the gas 0.08 s. (.) Result for capillaries open on both sides.
Fig. 5. Abscheidungsgeschwindigkeiten von Kohlenstoff in 17 mm und 34 mm lan gen, übereinander angeordneten, einseitig verschlossenen Kapillaren in Ab hängigkeit von der Tiefe/Länge der Kapillaren, erhalten bei folgenden Re aktionsbedingungen: Temperatur 1100°C, Methandruck 20 kPa, Verweilzeit des Gases 0.2 s. (▱) Ergebnis für beidseitig offene Kapillare. Fig. 5. Deposition rates of carbon in 17 mm and 34 mm long, one above the other, one-sided closed capillaries depending on the depth / length of the capillaries, obtained under the following reaction conditions: temperature 1100 ° C, methane pressure 20 kPa, residence time of Gases 0.2 s. (▱) Result for capillaries open on both sides.
Fig. 6a. Abscheidungsgeschwindigkeiten von Kohlenstoff in 17 mm und 34 mm lan gen, übereinander angeordneten, einseitig verschlossenen Kapillaren in Ab hängigkeit von der Tiefe/Länge der Kapillaren, erhalten bei folgenden Re aktionsbedingungen: Temperatur 1100°C, Methandruck 20 kPa, Verweilzeit des Gases 0.08 s. (▱) Ergebnis für beidseitig offene Kapillare. Fig. 6a. Deposition rates of carbon in 17 mm and 34 mm long, one above the other, one-sided closed capillaries depending on the depth / length of the capillaries, obtained under the following reaction conditions: temperature 1100 ° C, methane pressure 20 kPa, residence time of the gas 0.08 s. (▱) Result for capillaries open on both sides.
Fig. 6b. Verhältnis der Abscheidungsgeschwindigkeiten am Ende und am Eingang der einseitig verschlossenen Kapillaren von 17 (x) und 34 (+) mm Tiefe in Abhängigkeit von der Höhe im Reaktor. Fig. 6b. Ratio of the deposition rates at the end and at the entrance of the capillaries closed at one side of 17 (x) and 34 (+) mm depth depending on the height in the reactor.
Fig. 7. Schematische Darstellung einer "realen" porösen Struktur mit Flaschenhals poren (a), sowie des Infiltrationsergebnisses bei homogener Infiltration, d. h. ohne Gradient der Abscheidungsgeschwindigkeit (b), und bei ansteigendem Gradienten der Abscheidungsgeschwindigkeit (c). Fig. 7. Schematic representation of a "real" porous structure with bottleneck pores (a), and the infiltration result with homogeneous infiltration, ie without a gradient of the deposition rate (b), and with an increasing gradient of the deposition rate (c).
In Fig. 1 ist eine Platte der Dicke D, der Höhe H und der Breite B dargestellt, an der das Prinzip des Ummantelns bzw. Versiegelns einer porösen Struktur erläutert wird. Die Platte besitzt die Flächen D × H, D × B und B × H. Unter der Annahme, dass H » D und B » D ist, wird man diese Platte nach dem Stand der Technik beidseitig von den Flächen B × H infiltrieren. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt unter den angenommenen Verhältnissen der Abmessungen die Infiltration vorzugsweise einsei tig von nur einer Fläche B × H, in dem alle anderen Flächen versiegelt werden.In Fig. 1 a plate of thickness D, the height H and the width B is shown, in which the principle of encasing or sealing a porous structure will be explained. The plate has the areas D × H, D × W and W × H. Assuming that H »D and W» D, this plate will be infiltrated from the areas W × H on both sides according to the prior art. According to the method according to the invention, the infiltration preferably takes place on one side of only one surface W × H under the assumed proportions of the dimensions, in which all other surfaces are sealed.
Impliziert die Bedingung H » D und B » D eine sehr geringe Dicke D, beispielsweise von weniger als 20 oder 10 mm, so erfolgt die Infiltration derart, dass zwei Platten so nebeneinander eingesetzt werden, dass sie sich an den gegenüberliegenden inneren Flächen B × H berühren und eine der äußeren Flächen B × H versiegelt wird. Eine bevorzugte Lösung unter den angenommenen Bedingungen einer sehr geringen Dicke D sowie H » D und B » D besteht in der Verwendung einer zweiten porösen Platte mit gleicher Höhe H und gleicher Breite B aus einem preiswerten Hilfsstoff, wie z. B. aus einem Filz oder einem mit Vlies sehr hoher Porosität, die in analoger Weise wie voranstehend beschrieben mit der zu infiltrierenden porösen Platte eingesetzt wird. Gilt dagegen bei sehr geringer Dicke D, H < D und B » D, so erfolgt die Infiltration vorzugsweise einseitig von nur einer Fläche D × B, wobei alle anderen Flächen versie gelt werden.The condition H »D and B» D implies a very small thickness D, for example of less than 20 or 10 mm, the infiltration takes place in such a way that two plates used side by side so that they are facing the opposite inner Touch surfaces W × H and one of the outer surfaces W × H is sealed. A preferred solution under the assumed conditions of a very small thickness D and H »D and B» D consist in the use of a second porous plate with the same height H and the same width B from an inexpensive auxiliary material, such as. B. from a felt or with a very high porosity fleece, which in an analogous way like described above is used with the porous plate to be infiltrated. If, on the other hand, D, H <D and B »D apply to a very small thickness, the infiltration takes place preferably one side of only one surface D × B, with all other surfaces verse be considered.
Für komplexere Geometrien gilt die voranstehend beschriebene Vorgehensweise sinngemäß.The procedure described above applies to more complex geometries analogous.
Aus den Ergebnissen der nachfolgenden Beispiele folgt, dass für das Verfahren Infil trationstiefen ab etwa 20 mm attraktiv sind und die Attraktivität mit steigender Infiltra tionstiefe zunimmt. Die Obergrenze der bevorzugten Infiltrationstiefen liegt zwischen 50 und 100 mm. Demnach liegen eindeutige Randbedingungen für die Vorgehens weise bei der Versiegelung oder beim Einsetzen einer porösen Struktur in den Re aktor vor. Aus praktischer Erfahrung ist der Fall höchst unwahrscheinlich, dass alle drei Dimensionen einer zu infiltrierenden porösen Struktur größer als 50 bis 100 mm sind. Somit ist das Verfahren universell einsetzbar.From the results of the examples below it follows that for the Infil tration depths from about 20 mm are attractive and the attractiveness with increasing infiltra depth increases. The upper limit of preferred infiltration depths is between 50 and 100 mm. Accordingly, there are clear boundary conditions for the procedure wise when sealing or when inserting a porous structure into the re actuator before. From practical experience, the case is highly unlikely to be everyone three dimensions of a porous structure to be infiltrated larger than 50 to 100 mm are. The method can therefore be used universally.
Eine Schemaskizze des für die Infiltration verwendeten Reaktors mit ei nem Nutzdurchmesser von 22 mm ist in Fig. 2 wiedergegeben. Er besteht aus einem von außen beheizten Keramikrohr (nicht gezeigt); in diesem befinden sich Kera mikeinbauten, so dass ein zylindrischer Abscheidungsraum mit jeweils einem koni schen Zuströmungs- und Abströmungsteil entsteht.A schematic diagram of the reactor used for the infiltration with a usable diameter of 22 mm is shown in FIG. 2. It consists of an externally heated ceramic tube (not shown); In this there are ceramic internals, so that a cylindrical separation chamber with a conical inflow and outflow part is created.
Hierin befindet sich ein Probenträger oder -halter, der aus Gründen der Strömungs führung so gestaltet ist, dass sowohl im konischen als auch im zylindrischen Teil ein Ringspalt von etwa 2 mm Breite entsteht, durch den das Gas strömt. Die zu infiltrie rende Struktur besteht aus einem Plättchen aus impermeablem pyrolytischem Koh lenstoff. Es hat die Abmessungen 18 mm Breite, 20 mm Höhe und 3 mm Dicke. In diesen Plättchen befinden sich übereinander angeordnete Kapillaren 1 bis 7 mit ei nem Durchmesser von 1 mm. Die mittlere Kapillare 4 ist beidseitig offen und besitzt eine Länge von 18 mm; die restlichen Kapillaren sind einseitig verschlossen und be sitzen eine Länge von 17 mm. Nach Beendigung einer Infiltration wird die Schichtdic ke des abgeschiedenen Kohlenstoffs in Abhängigkeit von der Tiefe der Kapillare mit Hilfe eines Röntgenmikroskops ermittelt. Aus Schichtdicke in µm und Abscheidungs zeit in Stunden wird die mittlere Abscheidungsgeschwindigkeit r in µm/h berechnet. In Fig. 3 sind Abscheidungsgeschwindigkeiten in den einseitig verschlossenen Kapil laren 1, 3, 5 und 7 in Abhängigkeit von der Tiefe der Kapillaren z dargestellt. Sie wur den bei einer Temperatur von 1100°C, einem Methandruck von 20 kPa und einer Verweilzeit des Gases in bezug auf den zylindrischen Abscheidungsraum (Ringspalt) von 0.08 s nach 152 h Infiltrationsdauer erhalten. In allen einseitig verschlossenen Kapillaren steigt die Abscheidungsgeschwindigkeit mit zunehmender Tiefe der Kapil laren signifikant an. Es ist ferner zu erkennen, dass der Anstieg der Abscheidungsgeschwindigkeit auch am verschlossenen Ende der Kapillaren noch stark ausgeprägt ist; dies bedeutet, dass bei einer größeren Tiefe noch höhere Abscheidungsge schwindigkeiten zu erwarten sind. Derart ansteigende Abscheidungsgeschwindig keiten implizieren, dass die Kapillare, als Modell einer porösen Struktur, von "innen nach außen" infiltriert wird.Inside is a sample holder or holder, which is designed for flow reasons so that an annular gap of approximately 2 mm width is created in both the conical and the cylindrical part, through which the gas flows. The structure to be infiltrated consists of a plate made of impermeable pyrolytic carbon. It has the dimensions 18 mm wide, 20 mm high and 3 mm thick. In these platelets there are capillaries 1 to 7 , one above the other, with a diameter of 1 mm. The middle capillary 4 is open on both sides and has a length of 18 mm; the remaining capillaries are closed on one side and have a length of 17 mm. After infiltration has ended, the layer thickness of the deposited carbon is determined as a function of the depth of the capillary using an X-ray microscope. The average deposition rate r in µm / h is calculated from the layer thickness in µm and the deposition time in hours. In Fig. 3 deposition rates are shown in the capil 1 , 3 , 5 and 7 closed capil depending on the depth of the capillaries z. They were obtained at a temperature of 1100 ° C, a methane pressure of 20 kPa and a residence time of the gas in relation to the cylindrical deposition space (annular gap) of 0.08 s after an infiltration period of 152 h. In all capillaries closed on one side, the deposition rate increases significantly with increasing depth of the capillaries. It can also be seen that the increase in the deposition rate is still very pronounced even at the closed end of the capillaries; this means that at a greater depth, even higher deposition speeds can be expected. Such increasing deposition rates imply that the capillary, as a model of a porous structure, is infiltrated from "inside out".
Der überragende Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus einem Vergleich der Abscheidungsgradienten in den einseitig verschlossenen Kapillaren mit dem in der beidseitig offenen Kapillare 4 (geschlossene Symbole in Fig. 3), bei der der Diffusionsweg nur etwa halb so groß ist. Deren Gradient ist verschwindend klein, d. h. die Infiltration erfolgt sehr viel langsamer und vor allem nur sehr eingeschränkt "von innen nach außen".The outstanding advantage of the method according to the invention results from a comparison of the deposition gradients in the capillaries closed on one side with that in the capillaries 4 open on both sides (closed symbols in FIG. 3), in which the diffusion path is only about half as large. Their gradient is vanishingly small, ie infiltration takes place much more slowly and, above all, only to a very limited extent "from the inside out".
Zur Beschleunigung der Infiltration wurde eine Infiltration unter gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1, jedoch bei einer Temperatur von 1125°C durchge führt. Eine Temperaturerhöhung um 25°C bewirkt erfahrungsgemäß eine Erhöhung der Abscheidungsgeschwindigkeit etwa um den Faktor 2.5. Die in Fig. 4 wiedergege benen Ergebnisse bestätigen diese Aussage. Sie zeigt außerdem, dass der Anstieg der Abscheidungsgeschwindigkeit noch größer ist als bei der tieferen Temperatur von 1100°C. Im Gegensatz dazu zeigt die Abscheidungsgeschwindigkeit in der beid seitig offenen Kapillare 4 (geschlossene Symbole), also bei nur halbem Diffusions weg, nahezu keinen Gradienten.To accelerate the infiltration, infiltration was carried out under the same conditions as in Example 1, but at a temperature of 1125 ° C. Experience has shown that a temperature increase of 25 ° C increases the deposition rate by a factor of 2.5. The results reproduced in FIG. 4 confirm this statement. It also shows that the rate of deposition increases even more than at the lower temperature of 1100 ° C. In contrast, the deposition rate in the bilaterally open capillary 4 (closed symbols), ie with only half the diffusion away, shows almost no gradient.
Ähnliche bzw. analoge Ergebnisse wurden auch bei einer auf 0.2 s verlängerten Ver weilzeit erhalten.Similar or analogous results were also obtained with a Ver received for a while.
Aufgrund der Ergebnisse von Beispiel 1 wurden in einem der Fig. 2 ent sprechenden Reaktor, jedoch mit einem Nutzdurchmesser von 40 mm und einer Höhe des zylindrischen Abscheidungsraumes von 50 mm, unter Verwendung von Plättchen aus pyrolytischem Kohlenstoff mit den Abmessungen 35 × 50 × 3 mm ein seitig verschlossene Kapillaren von 34 und 17 mm Tiefe simultan infiltriert. Hierbei hatten, von unten nach oben betrachtet, die Kapillaren 1, 3, 5 und 7 eine Tiefe von 34 mm, die Kapillaren 2 und 6 eine Tiefe von 17 mm (wie in den Beispielen 1 und 2), während die Kapillare 4 beidseitig offen war. Die Infiltration wurde bei einer Tempera tur von 1100°C, einem Methandruck von 20 kPa und einer Verweilzeit des Gases in bezug auf den zylindrischen Ringspalt mit einer Breite von 2 mm und einer Höhe von 50 mm von 0.2 s durchgeführt.Based on the results of Example 1 were in a Fig. 2 speaking reactor, but with a useful diameter of 40 mm and a height of the cylindrical deposition space of 50 mm, using platelets made of pyrolytic carbon with the dimensions 35 × 50 × 3 mm a capillaries of 34 and 17 mm depth sealed on one side infiltrated simultaneously. Here, viewed from bottom to top, capillaries 1 , 3 , 5 and 7 had a depth of 34 mm, capillaries 2 and 6 had a depth of 17 mm (as in Examples 1 and 2), while capillary 4 was open on both sides was. The infiltration was carried out at a temperature of 1100 ° C., a methane pressure of 20 kPa and a residence time of the gas with respect to the cylindrical annular gap with a width of 2 mm and a height of 50 mm of 0.2 s.
Die in Fig. 5 wiedergegebenen Ergebnisse zeigen direkt den Vergleich der Abschei dungsgeschwindigkeiten und deren Gradienten bei Kapillartiefen, die sich um den Faktor 2 voneinander unterscheiden. Am Eingang aller Kapillaren steigt die Abschei dungsgeschwindigkeit von der Kapillare 1 zur Kapillaren 7 kontinuierlich an; das be deutet, dass ein Einfluss der Tiefe der Kapillaren oder deren einseitiger Verschluss nicht vorliegt. Der Anstieg der Abscheidungsgeschwindigkeit am Eingang der Kapilla ren resultiert daraus, dass sich das Methan vorzersetzt, während es durch den Ring spalt strömt. Betrachtet man nun die Gradienten der Abscheidungsgeschwindigkeit bei 17 mm Tiefe, also am Ende der Kapillaren mit 17 mm Tiefe und in der Mitte der Kapillaren von 34 mm Tiefe, so ergeben sich für die Kapillaren 1, 3, 5, 7 von 34 mm Tiefe Werte, die um ein vielfaches höher sind als diejenigen in den Kapillaren 2 und 6 von 17 mm Tiefe. Die gleiche Schlussfolgerung resultiert aus einem Vergleich der Gradienten in bezug auf die Gesamttiefe der Kapillaren von 17 und 34 mm. Durch diese Ergebnisse ist zweifelsfrei belegt, dass sowohl die Abscheidungsgeschwindig keiten als auch die Gradienten umso größer sind, je länger die Kapillare, d. h. der Dif fusionsweg ist.The results shown in FIG. 5 directly show the comparison of the deposition rates and their gradients at capillary depths that differ from one another by a factor of two. At the entrance to all capillaries, the deposition rate increases continuously from capillary 1 to capillary 7 ; this means that there is no influence of the depth of the capillaries or their one-sided closure. The increase in the rate of deposition at the entrance to the capillaries results from the methane decomposing as it flows through the ring gap. If we now consider the gradients of the deposition speed at a depth of 17 mm, i.e. at the end of the capillaries with a depth of 17 mm and in the middle of the capillaries with a depth of 34 mm, values result for the capillaries 1 , 3 , 5 , 7 of 34 mm depth which are many times higher than those in capillaries 2 and 6 of 17 mm depth. The same conclusion results from a comparison of the gradients with respect to the total depth of the capillaries of 17 and 34 mm. These results prove beyond any doubt that the longer the capillary, ie the diffusion path, the greater the deposition speed and the gradient.
Bemerkenswert ist auch das Profil der Abscheidungsgeschwindigkeit in der beidseitig offenen Kapillaren 4 von 35 mm Länge (▱). Hier ist der Gradient am kleinsten; die Tatsache, dass er nicht völlig symmetrisch ist, resultiert daraus, dass der Probenhal ter mit Probe möglicherweise nicht völlig zentrisch im Abscheidungsraum angeordnet war. In jedem Fall ist der Vergleich der einseitig verschlossenen Kapillaren mit der beidseitig offenen Kapillaren ein eindrucksvoller Beweis dafür, dass der einseitige Verschluss zu drastisch erhöhten Abscheidungsgeschwindigkeiten und Gradienten der Abscheidungsgeschwindigkeiten im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens führt.Also noteworthy is the profile of the deposition rate in the capillaries 4, which are open on both sides and are 35 mm long (▱). The gradient is smallest here; the fact that it is not completely symmetrical results from the fact that the sample holder with sample may not have been arranged completely centrally in the deposition space. In any case, the comparison of the capillaries closed on one side with the capillaries open on both sides is impressive proof that the one-sided closure leads to drastically increased deposition rates and gradients of the deposition rates in the sense of the method according to the invention.
Der nahezu horizontale Verlauf der Abscheidungsgeschwindigkeiten am Ende der 34 mm langen geschlossenen Kapillaren lässt vermuten, dass bei weiterer Verlän gerung der Tiefe der Kapillaren Diffusionskontrolle einsetzt mit der Folge, dass die Abscheidungsgeschwindigkeiten nicht weiter ansteigen, sondern ab einer gewissen Tiefe abzunehmen beginnen. Aus diesem Grunde wurden unter gleichen Bedingun gen, aber bei verminderter Verweilzeit, weitere Infiltrationen durchgeführt.The almost horizontal course of the deposition rates at the end of the 34 mm long closed capillaries suggests that with further extension The depth of the capillaries diffusion control starts with the consequence that the Deposition speeds do not continue to increase, but above a certain level Begin to decrease in depth. For this reason, were under the same conditions conditions, but with reduced dwell time, further infiltrations were carried out.
Beispiel 4. Fig. 6 (a) zeigt Abscheidungsgeschwindigkeiten analog zu Beispiel 3, je doch bei einer von 0.2 s auf 0.08 s verringerten Verweilzeit. Die Unterschiede der Ab scheidungsgradienten zwischen den Kapillaren von 17 mm Länge und denen von 34 mm Länge sind noch dramatischer als im vorigen Beispiel 3 (gleiche Symbole wie dort). Um dieses zu illustrieren, sind in Fig. 6(b) die Verhältnisse der Abscheidungs geschwindigkeiten am Ende und am Eingang der Kapillaren in Abhängigkeit von der Höhe dargestellt. Im Falle der Kapillaren 1, 3, 5, 7 von 34 mm Tiefe ergeben sich Werte von über 12, d. h. die Abscheidungsgeschwindigkeit am Ende der Kapillaren ist mehr als 12 mal so hoch wie am Eingang. Für die Kapillaren 2 und 6 von 17 mm Tiefe hingegen beträgt dieses Verhältnis nur etwa 2.Example 4. Fig. 6 (a) shows deposition rates analogous to example 3, but with a residence time reduced from 0.2 s to 0.08 s. The differences in the deposition gradients between the capillaries of 17 mm in length and those of 34 mm in length are even more dramatic than in the previous example 3 (same symbols as there). To illustrate this, the ratios of the deposition velocities at the end and at the entrance of the capillaries as a function of the height are shown in FIG. 6 (b). In the case of capillaries 1 , 3 , 5 , 7 of 34 mm depth, values of more than 12 result, ie the deposition rate at the end of the capillaries is more than 12 times as high as at the entrance. For capillaries 2 and 6 of 17 mm depth, however, this ratio is only about 2.
Bemerkenswert ist außerdem der noch starke Anstieg der Abscheidungsgeschwin digkeiten am Ende der Kapillaren von 34 mm Tiefe. Er lässt im Gegensatz zum vori gen Beispiel 3 keinerlei Einfluss einer Diffusionslimitierung erkennen. Das bedeutet, dass bei noch längeren Diffusionswegen die Abscheidungsgeschwindigkeiten zu nächst noch weiter ansteigen.Also noteworthy is the still strong increase in the deposition rate at the end of the 34 mm deep capillaries. In contrast to the vori no example of any influence of diffusion limitation. That means, that the deposition rates increase with even longer diffusion paths next continue to climb.
Beispiel 5. Kapillaren sind idealisierte Modelle für poröse Strukturen und deshalb zur Dokumentation von Infiltrationsvorgängen prädestiniert. Im folgenden wird gezeigt, wie sich ansteigende Gradienten der Abscheidungsgeschwindigkeit auf die Befüllung einer realen porösen Struktur auswirken. Typisch für solche Strukturen sind Poren, die mit sogenannten Flaschenhälsen miteinander verbunden sind (Fig. 7(a)). In Fig. 7(b) ist das Ergebnis dargestellt, das sich bei einer homogenen Infiltration einer sol chen porösen Struktur ergibt. Unter homogen ist dabei zu verstehen, dass die Ab scheidungsgeschwindigkeit keinen Gradienten aufweist, was angesichts des Standes von Wissen und Technik der ideale Fall ist. In Fig. 7(c) ist für die Infiltration beispiel haft ein Gradient von 5 angenommen. In diesem Fall ergibt sich im Vergleich zur ho mogenen Infiltration eine bemerkenswerte Verringerung der Restporosität um etwa 25%. In Beispiel 4 wurden Gradienten von über 12 dokumentiert (Fig. 5(b)), so dass bei optimaler Ausführung der Infiltration, wie in den Beispielen gezeigt, eine weitere dramatische Verringerung der Restporosität möglich ist. Sie gelingt deshalb, weil auf grund der starken Gradienten der Abscheidungsgeschwindigkeit eine Befüllung der Poren "von innen nach außen" erfolgt. Dadurch können Poren befüllt werden, ehe der Flaschenhals verschlossen wird.Example 5. Capillaries are idealized models for porous structures and are therefore ideal for documenting infiltration processes. The following shows how increasing gradients of the deposition rate affect the filling of a real porous structure. Typical of such structures are pores which are connected to one another by so-called bottle necks ( FIG. 7 (a)). In Fig. 7 (b) the result is shown which results from a homogeneous infiltration of such a porous structure. Homogeneous is understood to mean that the deposition speed has no gradient, which is the ideal case in view of the state of knowledge and technology. In Fig. 7 (c) a gradient of 5 is assumed as an example for the infiltration. In this case, compared to homogeneous infiltration, there is a remarkable reduction in residual porosity by about 25%. In example 4, gradients of over 12 were documented ( FIG. 5 (b)), so that if the infiltration is carried out optimally, as shown in the examples, a further dramatic reduction in the residual porosity is possible. It succeeds because the pores are filled "from the inside out" due to the strong gradients of the deposition rate. This allows pores to be filled before the bottle neck is closed.
Eine Infiltration "von innen nach außen", wie am Beispiel der Fig. 7(c) dokumentiert, bedeutet aber auch, dass eine fortschreitende Infiltration zu einer Abnahme der Infil trationstiefe führt.Infiltration "from the inside out", as documented using the example of FIG. 7 (c), also means that progressive infiltration leads to a decrease in the depth of infiltration.
Bei einer optimalen Ausführung des Verfahrens wird deshalb grundsätzlich eine po röse Platte aus einem preiswerten Hilfsstoff vor der zu infiltrierenden Seite ange bracht, von der die Infiltration erfolgt.If the method is carried out optimally, a po red plate made of an inexpensive auxiliary material in front of the side to be infiltrated from which the infiltration takes place.
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