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DE10392574B4 - Manufacturing of reaction-bonded silicon carbide by contacting silicon supplying body to preform, and heat processing contacted body at temperature higher than silicon melting temperature - Google Patents

Manufacturing of reaction-bonded silicon carbide by contacting silicon supplying body to preform, and heat processing contacted body at temperature higher than silicon melting temperature Download PDF

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DE10392574B4
DE10392574B4 DE10392574T DE10392574T DE10392574B4 DE 10392574 B4 DE10392574 B4 DE 10392574B4 DE 10392574 T DE10392574 T DE 10392574T DE 10392574 T DE10392574 T DE 10392574T DE 10392574 B4 DE10392574 B4 DE 10392574B4
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Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Korea Institute of Science and Technology KIST
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Abstract

Manufacturing of reaction-bonded silicon carbide comprises preparing silicon supplying body, preparing silicon carbide/carbon preform, contacting the silicon supplying body to one surface of the preform in a reaction bonding furnace, and heat processing the contacted body with preform at temperature higher than melting temperature of silicon under vacuum or inert atmosphere to infiltrate fused silicon in supplying body into the preform. Manufacturing of reaction-bonded silicon carbide comprises preparing silicon supplying body (10), preparing silicon carbide/carbon preform (20), contacting the silicon supplying body to one surface of the preform in a reaction bonding furnace, and heat processing contacted supply body at temperature higher than melting temperature of the silicon under vacuum or inert atmosphere to infiltrate fused silicon in the silicon supplying body into the preform. The silicon supplying body includes silicon powder and bonding agent. The bonding agent is phenol resin, furfuryl alcohol resin, or epoxy resin.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von reaktionsgebundenem Siliziumkarbid, und insbesondere ein Verfahren zum gleichmäßigen Zuführen von geschmolzenem Silizium auf ein vollständig reaktionsgebundenes Siliziumkarbid.The The present invention relates to a process for the preparation of reaction bonded silicon carbide, and more particularly a method for uniform feeding of molten silicon on a fully reaction bonded silicon carbide.

Stand der TechnikState of the art

Reaktions-gebundenes oder reaktions-gesintertes Siliziumkarbid wird durch Infiltration von geschmolzenem Silizium in eine Siliziumkarbid und Kohlenstoff enthaltende Vorform hergestellt. Das infiltrierte geschmolzene Silizium wird mit Kohlenstoffpartikeln zur Reaktion gebracht, die in der als das Siliziumkarbid zu erzeugenden Vorform vorhanden sind, und das hergestellte Siliziumkarbid fungiert als ein Bindemittel, um die Siliziumkarbidpartikel in der Vorform miteinander zu verbinden und Poren zwischen den Siliziumkarbidpartikeln mit dem Silizium aufzufüllen.Reaction bound or reaction-sintered silicon carbide is made by infiltration from molten silicon to a silicon carbide and carbon containing preform produced. The infiltrated molten silicon is reacted with carbon particles present in the as the silicon carbide to be produced preform are present, and the produced silicon carbide functions as a binder to connect the silicon carbide particles in the preform together and pores between the silicon carbide particles with the silicon fill.

Ein Verfahren zum Zuführen von geschmolzenem Silizium zu einer Siliziumkarbid- und Kohlenstoff-Vorform zur Herstellung eines reaktionsgebundenen Siliziumkarbids besteht in dem Eintauchen der Vorform in einen Schmelztiegel, in welchem das geschmolzene Silizium eingefüllt ist, und in dem Zuführen des geschmolzenen Siliziums zu der gesamten. Vorform über ein Kapillarrohr der Vorform. Jedoch sind in diesem Falle eine Erwärmungsvorrichtung zum Schmelzen von Silizium, ein.One Method of feeding from molten silicon to a silicon carbide and carbon preform for producing a reaction bonded silicon carbide in the immersion of the preform in a crucible, in which filled in the molten silicon is, and in the feeding of the molten silicon to the entire. Preform over a Capillary tube of the preform. However, in this case, a heating device for melting silicon, a.

Schmelztiegel für die Aufnahme von geschmolzenem Silizium, und eine Vorrichtung zum Zuführen von geschmolzenem Siliziums aus einem Schmelztiegel zu einem Probestück erforderlich, weshalb der Herstellungsprozeß komplex ist und die Kosten erhöht werden.melting pot for the Receiving molten silicon, and a device for supplying molten Silicon from a crucible to a specimen required which is why the manufacturing process is complex is and increases the cost become.

Im Falle einer einfach geformten Vorform kann geschmolzenes Silizium in ein Probestück durch Aufschichten von Siliziumpulverteilchen auf einen oberen Teil des Probestückes und Erhitzen der Pulverteilchen über den Schmelzpunkt von Silizium hinaus infiltriert werden. Bei diesem Verfahren werden Siliziumpulverteilchen geschmolzen, so dass sie sich aufgrund von Oberflächenspannung zusammenlagern. Ferner kann das geschmolzene Silizium, wenn es zu einer Masse zusammengelagert ist, nicht die gesamte Oberfläche, welcher das Silizium zugeführt werden sollte, überdecken, und in einigen Fällen kann die Zusammenlagerung aufgrund der Schwerkraft herunterfallen.in the Trap of a simply shaped preform may be molten silicon in a test piece by stacking silicon powder particles on an upper part of the sample and heating the powder particles over infiltrating the melting point of silicon beyond. In this Process, silicon powder particles are melted, so they itself due to surface tension store together. Furthermore, the molten silicon, if it is too a mass is massed, not the entire surface, which fed to the silicon should, cover, and in some cases collapsing can fall down due to gravity.

Bei den vorgenannten herkömmlichen Verfahren zur Zuführung von Silizium geht, wenn geschmolzenes Silizium sich zusammenlagert, das Silizium weit von dem gewünschten Kontaktpunkt weg, und deshalb wird der Zuführungsabstand des geschmolzenen Siliziums vergrößert und die Infiltrationsfläche verringert. Ferner besitzt geschmolzenes Silizium eine sehr große Oberflächenspannung und niedrige Viskosität. Es hat somit eine Tendenz zum Zusammenhängen, so daß es seine Oberfläche reduziert. Je größer das Maß der Kohäsion wird, desto mehr beeinflußt die Schwerkraft diese. Die Kohäsion von geschmolzenem Silizium reduziert die Fläche, in welcher das Silizium infiltriert wird, und außerdem ist die Infiltration des Siliziums auf eine bestimmte Fläche beschränkt.at the aforementioned conventional Method of feeding of silicon goes when molten silicon gathers together, the silicon is far from the desired one Contact point away, and therefore the feed distance of the molten Silicon magnified and the infiltration area reduced. Furthermore, molten silicon has a very large surface tension and low viscosity. It thus has a tendency to connect so that it reduces its surface area. The bigger that Measure of cohesion becomes, the more affected gravity this. The cohesion of molten silicon reduces the area in which the silicon is infiltrated, as well as the infiltration of silicon is limited to a certain area.

Das US Patent US 4,154,787 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines reaktionsgebundenen Siliziumkarbid-Körpers, bei dem ein Verbund aus zwei Preßlingen hergestellt wird, wobei einer der Preßlinge ein Gemisch aus etwa 75 bis 95 Gewichtsteilen Siliziumkarbidkorn, etwa 5 bis 25 Gewichtsteilen fein verteilter Kohle und etwa 5 bis 15 Gewichtsteilen eines organischen Bindemittels enthält und wobei der andere Preßling etwa 90 bis 97 Gewichtsteile fein geteiltes Silizium, etwa 3 bis 10 Gewichtsteile fein geteilte Kohle und etwa 3 bis 10 Gewichtsteile eines organischen Bindemittels enthält. Dieser Verbund wird auf eine Temperatur erhitzt, so dass das organische Bindemittel in den Preßlingen zersetzt wird. Ferner wird der Verbund im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre auf die Schmelztemperatur des Siliziums erhitzt, derart, dass ein Teil des Siliziums eine Reaktion mit der Kohle im zweiten Preßling zur Bildung einer brüchigen und porösen Siliziumkarbid-Grundmasse eingeht und der Rest des Siliziums den ersten Preßling durchdringt, wobei mindestens ein Teil des Siliziums eine Reaktion mit der Kohle in ersten Preßling eingeht, derart, dass der erste Preßling in einen reaktionsgebundenen Siliziumkarbid-Körper umgewandelt wird. Anschließend wird die brüchige und poröse Siliziumkarbid-Grundmasse vom reaktionsgebundenen Siliziumkarbid-Körper entfernt. Das Siliziumkarbid hat dabei bevorzugt eine Korngröße von 200 bis 1200 grit, die Kohle hat bevorzugt eine Partikelgröße im Submikronbereich, und das Silizium hat bevorzugt eine Partikelgröße von 100 bis 325 mesh.The US Pat. No. 4,154,787 describes a process for producing a reaction bonded silicon carbide body in which a composite of two compacts is prepared, wherein one of the compacts is a mixture of about 75 to 95 parts by weight of silicon carbide, about 5 to 25 parts by weight of finely divided carbon and about 5 to 15 parts by weight of a and wherein the other compact contains about 90 to 97 parts by weight of finely divided silicon, about 3 to 10 parts by weight of finely divided carbon and about 3 to 10 parts by weight of an organic binder. This composite is heated to a temperature such that the organic binder in the compacts is decomposed. Further, the composite is heated in vacuum or in an inert atmosphere to the melting temperature of the silicon, such that a portion of the silicon reacts with the coal in the second compact to form a brittle and porous silicon carbide matrix and the remainder of the silicon is the first Pressing penetrates, wherein at least a portion of the silicon undergoes a reaction with the coal in the first compact, such that the first compact is converted into a reaction-bonded silicon carbide body. Subsequently, the brittle and porous silicon carbide matrix is removed from the reaction bonded silicon carbide body. The silicon carbide preferably has a particle size of 200 to 1200 grit, the carbon preferably has a particle size in the submicron range, and the silicon preferably has a particle size of 100 to 325 mesh.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 35 40 254 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbidkörpern durch Spritzen oder Pressen, Austreiben des Bindemittels und Reaktionssintern, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Mischung aus feinem SiC-Pulver, feinem Si-Pulver, einem Bindemittel aus einem Duromer-Kunststoff und einem Sinterhilfsmittel wie Bor oder Aluminium als Spritz- oder Preßmasse.The German patent application DE 35 40 254 A1 discloses a method for producing silicon carbide bodies by injection molding, debinding of the binder and reaction sintering, characterized by using a mixture of fine SiC powder, fine Si powder, a binder of a duromer plastic and a sintering aid such as boron or aluminum as Injection or molding compound.

Technischer Hauptpunkt der vorliegenden ErfindungMain technical point of the present invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur wirtschaftlichen Herstellung eines reaktionsgebundenen Siliziumkarbids und in der Reduzierung der Verarbeitungszeit unter Aufrechterhalten einer gleichmäßigen Infiltrationsgeschwindigkeit über der gesamten Oberfläche, indem eine gleichmäßige räumliche Verteilung des geschmolzenen Siliziums aufrechterhalten wird.The Object of the present invention is to provide a process for the economical production of a reaction-bound Silicon carbide and in reducing the processing time under Maintaining a uniform rate of infiltration over the entire surface, by having a uniform spatial Distribution of molten silicon is maintained.

Ferner besteht eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Aufrechterhaltung einer maximalen Infiltrationsfläche, wenn das reaktionsgebundene Siliziumkarbid durch gleichmäßiges Schmelzen von Silizium und Verhindern einer Kohäsion des Siliziums aufgrund von Oberflächenspannung hergestellt wird.Further Another object of the present invention is to maintain a maximum infiltration area, when the reaction bonded silicon carbide by uniform melting of silicon and preventing cohesion of silicon due of surface tension will be produced.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Zum Lösen der Aufgaben der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von reaktionsgebundenem Siliziumkarbid bereitgestellt, welches umfasst:
Bereitstellen eines Siliziumzuführungskörpers mit Siliziumpulverteilchen und einem wärmehärtenden Harz als einem Binder; Bereitstellen einer Siliziumkarbid- und Kohlenstoff-Vorform oder einer Siliziumkarbid-Vorform; in-Kontakt-bringen des Siliziumzuführungskörpers mit einer Oberfläche der Vorform in einem Ofen; und Erhitzen auf die Schmelztemperatur des Siliziums unter Vakuum oder Inertatmosphäre, um das geschmolzene Silizium in dem Siliziumzuführungskörper in die Vorform zu infiltrieren. Dabei beträgt das Verhältnis zwischen den Abmessungen der Partikel des Siliziumpulvers des Siliziumzuführungskörpers und der Partikel des Siliziumkarbidpulvers der Vorform 5:1 bis 25:1, und die Größe der Siliziumpulver-Partikel ist 70 bis 2000 μm.
To achieve the objects of the present invention, there is provided a process for producing reaction bonded silicon carbide comprising:
Providing a silicon supply body with silicon powder particles and a thermosetting resin as a binder; Providing a silicon carbide and carbon preform or a silicon carbide preform; contacting the silicon feed body with a surface of the preform in an oven; and heating to the melting temperature of the silicon under vacuum or inert atmosphere to infiltrate the molten silicon in the silicon feed body into the preform. Here, the ratio between the dimensions of the particles of the silicon powder of the silicon supply body and the particles of the silicon carbide powder of the preform is 5: 1 to 25: 1, and the size of the silicon powder particles is 70 to 2000 μm.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:It demonstrate:

1A bis 1D ein Verfahren zur Herstellung von reaktionsgebundenem Siliziumkarbid gemäß der vorliegenden Erfindung; 1A to 1D a method for producing reaction bonded silicon carbide according to the present invention;

1A einen Zustand; bei dem ein Siliziumzuführungs-Probestück und eine Siliziumkarbid- und Kohlenstoff-Vorform in Kontakt gebracht sind; 1A a condition; wherein a silicon feed coupon and a silicon carbide and carbon preform are brought into contact;

1B eine Ansicht, nach der kohlenstoffhaltige Partikel in dem Siliziumzuführungs-Probestück durch Wärmebehandlung erzeugt werden; 1B a view in which carbonaceous particles are produced in the silicon feed specimen by heat treatment;

1C eine Ansicht, nach der eine Siliziumkarbid-Rahmenstruktur in dem Siliziumzuführungs-Probestück durch die Wärmebehandlung erzeugt wird; 1C a view in which a silicon carbide frame structure is generated in the silicon supply specimen by the heat treatment;

1D ein endgültiges reaktions-gebundenes Siliziumkarbid, welchem das geschmolzene Silizium zugeführt wird; 1D a final reaction-bonded silicon carbide to which the molten silicon is supplied;

2A eine Feinstruktur der Siliziumkarbid- und Kohlenstoff-Vorform; und 2A a fine structure of the silicon carbide and carbon preform; and

2B eine Feinstruktur einer Siliziumkarbidsinterung nach einer Reaktionsbindung darstellt. 2 B represents a fine structure of silicon carbide sintering after a reaction bond.

Ausführungsart der bevorzugten Ausführungsformenembodiment of the preferred embodiments

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Kohäsion des geschmolzenen Siliziums verhindert und das geschmolzene Silizium gleichmäßig zugeführt werden.According to the present Invention can be a cohesion of the molten silicon and prevents the molten silicon be supplied evenly.

Der Siliziumzuführungskörper wird hergestellt, indem ein Brei durch Mischen von 70 bis 99 Gewichtsprozent Siliziumpulver mit einer Teilgröße von 70 bis 2000 μm und 1 bis 10 Gewichtsprozent wärmehärtendem Harz als Bindemittel. in einem Lösungsmittel erzeugt wird, Körnchen oder ein Granulat durch Trocknen des Breis erzielt wird, und das Granulat geformt wird.Of the Silicon feed body is made by adding a slurry by mixing 70 to 99 weight percent Silicon powder with a part size of 70 up to 2000 μm and 1 to 10 weight percent thermosetting resin as a binder. in a solvent is produced, granules or a granule is achieved by drying the slurry, and the Granules are formed.

Das wärmehärtende Harz, welches einen höheren Restkohlenstoffanteil, wie z. B. Phenolharz hat, wird als Bindemittel verwendet. Das Bindemittel kann ferner 1 bis 10 Gewichtsprozent thermoplastisches Harz, wie z. B. PVB (Polyvinylbutyral), enthalten. Zusätzlich kann, wenn 1 bis 10 Gewichtsprozent Weichmacher zugesetzt sind, das Zuführungsprobestück selbst bei niedriger Temperatur leicht umgewandelt werden.The thermosetting resin, which one higher Residual carbon, such as. As phenolic resin has, is used as a binder used. The binder may further be 1 to 10% by weight thermoplastic resin, such as. As PVB (polyvinyl butyral) included. additionally can, if 1 to 10 weight percent plasticizer are added, the feed sample itself be easily converted at low temperature.

Furfurylalkoholharz und Epoxidharz können als wärmehärtendes Harz neben Phenolharz verwendet werden. Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylacetat (PVAc), Polymethylmethacrylat (PMMA) usw. können als thermoplastische Harze neben dem PVB verwendet werden, und Dibutylphthalat (DBP), Benzyl-Butylphthalat (BBP), Polyethylenglykol (PEG), Dimethylphthalat (DMP), Di-Octylphthalat (DOP), Glyzerin usw. können als Weichmacher verwendet werden.furfuryl and epoxy resin can as a thermosetting one Resin can be used in addition to phenolic resin. Polyvinyl alcohol (PVA), Polyvinyl acetate (PVAc), polymethyl methacrylate (PMMA), etc. can be used as thermoplastic resins are used in addition to the PVB, and dibutyl phthalate (DBP), benzyl-butyl phthalate (BBP), polyethylene glycol (PEG), dimethyl phthalate (DMP), di-octyl phthalate (DOP), glycerine, etc. be used as a plasticizer.

Das Bindemittel wird mit dem Silizium in dem Körper im Anfangszustand einer Reaktionsbindung zum Ausbilden einer Siliziumkarbidnetz- oder Siliziumkarbidrahmenstruktur zur Reaktion gebracht, wodurch eine Zusammenlagerung des geschmolzenen Siliziums verhindert werden kann.The Binder becomes with the silicon in the body in the initial state of Reaction bonding to form a silicon carbide net or silicon carbide frame structure reacted, causing an agglomeration of the molten Silicon can be prevented.

Der Siliziumzuführungskörper wird in dem Bereich von Raumtemperatur bis 120°C, und zwar abhängig davon, wie die Festigkeit des Zuführungskörpers gesteuert wird, erzeugt. Es ist erwünscht, daß der Prozeß für die Umformung unter Wärme innerhalb des Bereichs von 60 bis 120°C liegt. Wenn der Prozentsatz an Silizium in dem Siliziumzuführungskörper erhöht wird, tritt kaum eine Kontraktion aufgrund der Erwärmung aufgrund des Netzwerkes des Siliziumpulvers auf, und daher wird geschmolzenes Silizium auf der gesamten Fläche des mit der Siliziumkarbidvorform in Kontakt stehenden Siliziumzuführungskörpers infiltriert.Of the Silicon feed body is in the range of room temperature to 120 ° C, depending on how controlled the strength of the feeder body is generated. It is desirable that the Process for forming under heat within the range of 60 to 120 ° C. If the percentage is increased in silicon in the silicon supply body, Hardly any contraction occurs due to the heating due to the network of the silicon powder, and therefore molten silicon is formed the entire area of the silicon feed body in contact with the silicon carbide preform.

Es kann ein Siliziumzuführungskörper verwendet werden, welcher vollständig mit einer Siliziumkarbidvorform kombiniert ist, indem ein gewöhnlicher Kleber verwendet wird.It For example, a silicon feed body may be used which is complete is combined with a silicon carbide preform by a common Glue is used.

In Kontakt mit einem kompakten Körper aus Siliziumkarbid (Vorform) stehend wird ein Siliziumzuführungskörper innerhalb einer höheren Temperatur als der Schmelzpunkt des Siliziums, beispielsweise 1410 bis 1550°C, erwärmt, und das geschmolzene Silizium infiltriert in die Siliziumkarbidvorform, um das reaktionsgebundene Siliziumkarbid herzustellen.In Contact with a compact body made of silicon carbide (preform) is a silicon supply body within a higher one Temperature as the melting point of silicon, for example 1410 up to 1550 ° C, heated and the molten silicon infiltrates into the silicon carbide preform, to produce the reaction bonded silicon carbide.

Siliziumpulverteilchen des Siliziumzuführungskörpers sind größer als die Siliziumkarbidpulverteilchen der reaktionsgebundenen Vorform. In der vorliegenden Erfindung wird der Unterschied zwischen den Partikeln des Siliziumpulvers und des Siliziumkarbidpulvers soweit wie möglich vergrößert, um die Infiltrationsgeschwindigkeit des geschmolzenen Siliziums zu beschleunigen, und um dadurch die Reaktionszeit stark zu verringern. Das Verhältnis der Abmessungen zwischen dem Siliziumpulver und dem Siliziumkarbidpulver liegt dazu zwischen 5:1 bis 25:1.Siliziumpulverteilchen of the silicon feed body greater than the silicon carbide powder particles of the reaction bonded preform. In the present invention, the difference between the Particles of the silicon powder and the silicon carbide powder so far as possible enlarged to the infiltration rate of the molten silicon accelerate, thereby greatly reducing the reaction time. The relationship the dimensions between the silicon powder and the silicon carbide powder lies between 5: 1 to 25: 1.

Hierin nachstehend werden das Herstellungsverfahren und die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.Here in Below are the manufacturing process and the properties of the present invention in more detail with reference to FIGS attached Figures described.

Granulat wird durch Mischen des Siliziumpulvers mit dem wärmehärtenden Harz 12 mit einer höheren Restkohlenstoffrate, wie z. B. bei Phenolharz, hergestellt, und der Siliziumzuführungskörper 10 wird durch Plastifizierung des Granulats hergestellt. Der Siliziumzuführungskörper 10 wird mit einer Stelle der Siliziumkarbid- und Kohlenstoff-Vorform 20 in Kontakt gebracht, welche, wie in 1A dargestellt, reaktionsgebunden werden soll. In 1A stellt der obere Teil den Siliziumzuführungskörper 10, und der untere Teil die Siliziumkarbid- und Kohlenstoff-Vorform 20 dar. Der Siliziumzuführungskörper 10 weist die Siliziumpartikel 11 und das wärmehärtende Harz 12 auf. Die Vorform wird aus den Siliziumkarbidpartikeln 21 und den Kohlenstoffpartikeln 22 hergestellt.Granules are made by mixing the silicon powder with the thermosetting resin 12 with a higher residual carbon rate, such. As with phenolic resin, prepared, and the Siliziumzuführungskörper 10 is made by plasticizing the granules. The silicon supply body 10 comes with a location of silicon carbide and carbon preform 20 brought into contact, which, as in 1A shown to be reaction bound. In 1A the upper part represents the silicon supply body 10 , and the lower part of the silicon carbide and carbon preform 20 dar. The silicon supply body 10 has the silicon particles 11 and the thermosetting resin 12 on. The preform is made of the silicon carbide particles 21 and the carbon particles 22 produced.

Anschließend werden der Siliziumzuführungskörper 10 und die Siliziumkarbid- und Kohlenstoff-Vorform in einem Sinterofen unter Vakuum oder in einer Inertatmosphäre derart wärmebehandelt, daß wenigstens eine ihrer Oberflächen in Kontakt steht. Das wärmehärtende Harz 12 wird in dem Temperaturbereich von 400 bis 500°C während der Wärmebehandlung zerlegt, so daß Kohlenstoff 23 in dem Siliziumzuführungskörper 10 gemäß Darstellung in 1B zurückbleibt. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur weiter ansteigt, wird der Restkohlenstoff verbrannt, durchläuft eine lokale Verdichtung, und reagiert mit den geschmolzenen Siliziumpartikeln, wenn die Temperatur den Schmelzpunkt des Siliziums erreicht, um die Siliziumkarbid-Rahmenstruktur (siehe 13 in 1C) auszubilden.Subsequently, the silicon supply body 10 and heat-treating the silicon carbide and carbon preform in a sintering furnace under vacuum or in an inert atmosphere so that at least one of their surfaces is in contact. The thermosetting resin 12 is decomposed in the temperature range of 400 to 500 ° C during the heat treatment, so that carbon 23 in the silicon supply body 10 as shown in 1B remains. As the heat treatment temperature continues to increase, the residual carbon is burned, undergoes local compression, and reacts with the molten silicon particles as the temperature reaches the melting point of silicon to form the silicon carbide frame structure (see FIG 13 in 1C ) train.

Die vorstehende Rahmenstruktur 13 verbindet das geschmolzene Silizium vollständig in dem Siliziumzuführungskörper 10 und verhindert, daß das geschmolzene Silizium sich zusammenlagert oder auf eine Seite wegläuft, so daß das geschmolzene Silizium gleichmäßig auf die Scherungsfläche 15 verteilt wird, wo die Vorform 20 und der Siliziumzuführungskörper 10 in Kontakt stehen. Demzufolge wird das geschmolzene Silizium in dem Siliziumzuführungskörper 10 gleichmäßig in die Siliziumkarbidvorform 20 infiltriert. Der Siliziumzuführungskörper 10 hinterläßt schließlich die Siliziumkarbid-Rahmenstruktur 13 gemäß Darstellung in 1C. In der Siliziumkarbidvorform 20 wird das aus dem Siliziumzuführungskörper 10 infiltrierte geschmolzene Silizium mit den Kohlenstoffpartikeln 22 zur Reaktion gebracht, um neue Siliziumkarbidpartikel 25 auszubilden, und das infiltrierte geschmolzene Silizium füllt auch die Luftspalte 24 zwischen den existierenden Siliziumkarbidpartikeln 21 aus.The above frame structure 13 completely bonds the molten silicon in the silicon supply body 10 and prevents the molten silicon from aggregating or to one side runs away, so that the molten silicon evenly on the shear surface 15 is distributed where the preform 20 and the silicon supply body 10 stay in contact. As a result, the molten silicon becomes in the silicon supply body 10 evenly into the silicon carbide preform 20 infiltrated. The silicon supply body 10 finally leaves the silicon carbide frame structure 13 as shown in 1C , In the silicon carbide preform 20 this will be from the silicon feed body 10 Infiltrated molten silicon with the carbon particles 22 reacted to new silicon carbide particles 25 and the infiltrated molten silicon also fills the air gaps 24 between the existing silicon carbide particles 21 out.

Andererseits besitzt die Siliziumkarbid-Rahmenstruktur 13 eine niedrige Festigkeit, und kann daher leicht von dem reaktions-gebundenen Körper getrennt werden. Das reaktionsgebundene Siliziumkarbid 20 kann durch eine einfache Verarbeitung gemäß Darstellung in 1D erhalten werden.On the other hand, the silicon carbide frame structure has 13 a low strength, and therefore can be easily separated from the reaction-bound body. The reaction-bound silicon carbide 20 can by simple processing as shown in 1D to be obtained.

Wie vorstehend beschrieben, ist, wenn das reaktionsgebundene Siliziumkarbid 20 unter Verwendung des Siliziumzuführungskörpers 10 hergestellt wird, die Reaktion zwischen den aus dem Bindungsmittel in dem Siliziumzuführungskörper 10 erhaltenen Kohlenstoff- 23 und Siliziumpartikeln 11 eine exotherme Reaktion, und dadurch kann das gleichmäßige Schmelzen des Siliziums induziert und die Kohäsion des Siliziums aufgrund der Oberflächenspannung verhindert werden. Daher kann die Fläche, durch welche das geschmolzene Silizium in die Siliziumkarbidvorform 20 infiltriert wird, maximal gehalten werden.As described above, when the reaction bonded silicon carbide 20 using the silicon feed body 10 is prepared, the reaction between the from the bonding agent in the Siliziumzuführungskörper 10 obtained carbon 23 and silicon particles 11 an exothermic reaction, and thereby the uniform melting of the silicon can be induced and the cohesion of the silicon due to the surface tension can be prevented. Therefore, the area through which the molten silicon can be preformed into the silicon carbide 20 is infiltrated, held at maximum.

Ferner wird eine gleichmäßige räumliche Verteilung des geschmolzenen Siliziums aufrechterhalten, um eine gleichmäßige Infiltrationsgeschwindigkeit über die gesamte Infiltrationsoberfläche zu erhalten, und daher kann die gesamte Infiltrationszeit, d. h. die Behaltungszeit minimiert werden. Ferner ist eine zusätzliche Vorrichtung für die Zuführung des geschmolzenen Siliziums nicht erforderlich. Somit können die Kosten für die Verarbeitungsanlage und den Brennofen reduziert werden.Further becomes a uniform spatial Distribution of molten silicon maintained to a uniform infiltration speed over the entire infiltration surface and therefore the total infiltration time, i. H. the retention time can be minimized. Further, an additional device for the feed of the molten silicon is not required. Thus, the costs for the processing plant and the kiln are reduced.

Ausführungsformenembodiments

Eine Siliziumkarbid- und Kohlenstoff-Vorform 20 wird durch Mischen von Siliziumkarbid 21 mit einer Größe von 1 bis 10 μm und Ruß von 10 bis 40 μm so hergestellt, daß sie Ruß bis 30 Volumenprozent enthält, und indem Phenolharz als Bindemittel zugefügt wird.A silicon carbide and carbon preform 20 is by mixing silicon carbide 21 with a size of 1 to 10 microns and carbon black of 10 to 40 microns prepared so that it contains carbon black to 30 percent by volume, and phenol resin is added as a binder.

Der Schmelzsiliziumzuführungskörper 10 wird unter Verwendung von Siliziumpulver 11 von 70 bis 2000 μm und dem Phenolharzbindemittel hergestellt.The molten silicon supply body 10 is made using silicon powder 11 from 70 to 2000 microns and the phenolic resin binder.

Zuerst werden 1 bis 15 Gewichtsprozent Phenolharz und bis 15 Gewichtsprozent DBP basierend auf dem Gewicht des Materialpulvers in Alkohol gelöst, welcher Phenolharz lösen kann. Das Siliziumpulver 11 wird der vorstehenden Lösung zugesetzt, um den Brei herzustellen. Nach der Zusetzung des Siliziumpulvers 11 werden diese gleichmäßig mittels einer starken Rühr-, Mahl- oder Ultraschallverarbeitung gemischt und dann wird der Zusammenhang getrennt. Wenn der Brei in destilliertes Wasser, welches auf 50 bis 80°C erwärmt ist, eingetropft wird, erfolgt eine rasche Lösungsmittelersetzung, und der eingetropfte Brei geht in einen harten Zustand über. Das restliche Lösungsmittel in dem Granulat wird durch wiederholtes Rühren minimiert, und dann wird das eingetropfte Granulat aus der Lösung abgetrennt und getrocknet, um das erforderliche Granulat zu erhalten.First, 1 to 15% by weight of phenolic resin and up to 15% by weight of DBP are dissolved in alcohol based on the weight of the material powder, which can dissolve phenolic resin. The silicon powder 11 is added to the above solution to prepare the slurry. After the addition of the silicon powder 11 these are uniformly mixed by means of a strong stirring, milling or ultrasonic processing and then the context is separated. When the slurry is dropped into distilled water heated to 50 to 80 ° C, rapid solvent decomposition occurs and the drenched slurry changes to a hard state. The residual solvent in the granules is minimized by repeated stirring, and then the dripped granules are separated from the solution and dried to obtain the required granules.

Als ein weiteres Verfahren wird die gewünschte Menge an Siliziumpulver 11 und Phenolharz in einer trockenen Weise gemischt, und dann für 1 bis 8 Stunden in einer Kugelmühle trocken gemahlen. Dann wird das Granulat in einem relativ gleichmäßig gemischten Zustand gewonnen. Jedoch kann der ideale Mischzustand des Granulats durch das Naßmischverfahren erzielt werden.As another method, the desired amount of silicon powder 11 and phenolic resin are mixed in a dry manner, and then dry-milled in a ball mill for 1 to 8 hours. Then, the granules are recovered in a relatively uniformly mixed state. However, the ideal mixing state of the granules can be achieved by the wet mixing method.

Das erzeugte Granulat wird mit 5 bis 400 MPa in dem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 120°C komprimiert, um den Siliziumzuführungskörper 10 zu erhalten.The produced granules are compressed at 5 to 400 MPa in the temperature range from room temperature to 120 ° C, around the silicon supply body 10 to obtain.

In dem Ofen wird die bis 30 Volumenprozent Ruß enthaltende reaktionsgebundene Siliziumkarbid- und Kohlenstoff-Vorform 20 von 50 mm × 50 mm Größe mit dem Siliziumzuführungskörper 10 derselben Größe in Kontakt gebracht, und dann werden diese in dem Temperaturbereich von 1410 bis 1460°C unter Vakuumatmosphäre wärmebehandelt, um das geschmolzene Silizium in die Siliziumkarbidvorform 20 zu infiltrieren. Dadurch wird das reaktionsgebundene Siliziumkarbid gewonnen.In the furnace, the reaction-bonded silicon carbide and carbon preform 20 of 50 mm × 50 mm in size containing carbon black up to 30 volume percent is attached to the silicon supply body 10 of the same size, and then they are heat-treated in the temperature range of 1410 to 1460 ° C under a vacuum atmosphere to the molten silicon in the silicon carbide preform 20 to infiltrate. As a result, the reaction bonded silicon carbide is recovered.

Tabelle 1 stellt die Dichte und die Dichte nach Sinterung des reaktionsgebundenen Siliziumkarbids 20 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Tabelle 1 Pulverzusammen setzung (Vol%) Dichte (%) Dichte nach Sinterung (%) SiC Ruß 100 0 53,9 96,7 91,6 8,4 57,0 97,0 83,8 16,2 58,2 97,4 76,6 23,4 60,3 97,5 69,7 30 62,8 97,8 Table 1 shows the density and density after sintering of the reaction bonded silicon carbide 20 according to the present invention. Table 1 Together powder translation (Vol%) Density (%) Density after sintering (%) SiC soot 100 0 53.9 96.7 91.6 8.4 57.0 97.0 83.8 16.2 58.2 97.4 76.6 23.4 60.3 97.5 69.7 30 62.8 97.8

2A und 2B stellen eine Feinstruktur der Siliziumkarbid- und Kohlenstoff-Vorform mit Ruß von 30,3 Volumenprozent dar (2A) und eine Feinstruktur der. Siliziumkarbidsinterung nach der Reaktionsbindung (2B). 2A and 2 B illustrate a fine structure of the silicon carbide and carbon preform with soot of 30.3 percent by volume ( 2A ) and a fine structure of. Silicon carbide sintering after the reaction bonding ( 2 B ).

Industrielle AnwendbarkeitIndustrial applicability

Wie bisher beschrieben, sind gemäß der Problemlösung der vorliegenden Erfindung der größte Teil der zum Herstellen des reaktions-gebundenen Siliziumkarbids in der konventionellen Technik benötigten Geräte, wie z. B. die Erwärmungsvorrichtung für das Schmelzen des Siliziums, der Schmelztopf für das Aufbewahren des geschmolzenen Siliziums und die Zuführungsvorrichtung aus dem Ofen zu dem Körper nicht erforderlich. Nur der Sinterungsofen für die Erwärmung des Siliziums bis zu der Schmelztemperatur ist erforderlich. Daher kann das reaktions-gebundene Siliziumkarbid wirtschaftlich hergestellt werden.As heretofore described, according to the problem solution of present invention, the majority of for preparing the reaction-bonded silicon carbide in the conventional Technology needed Equipment, such as B. the warming device for the Melting of the silicon, the melting pot for the storage of the molten Silicon and the delivery device from the oven to the body not mandatory. Only the sintering furnace for heating the silicon up to the melting temperature is required. Therefore, the reaction-bound Silicon carbide can be produced economically.

Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Reaktion zwischen dem in dem Siliziumzuführungskörper vorliegenden Siliziumpulver und dem aus dem Bindemittel erhaltenen Kohlenstoff eine exotherme Reaktion, weshalb das Silizium gleichmäßig geschmolzen werden kann. Ferner ist die in dem Siliziumzuführungskörper ausgebildete Siliziumkarbid-Rahmenstruktur in der Lage, eine Zusammenlagerung des geschmolzenen Siliziums aufgrund der Oberflächenspannung zu verhindern, weshalb die Infiltrationsfläche des geschmolzenen Siliziums maximal gehalten werden kann. Zusätzlich kann die gleichmäßige Infiltrationsgeschwindigkeit über die gesamte Infiltrationsoberfläche aufrechterhalten werden, indem die räumliche Verteilung des geschmolzenen Siliziums gleichmäßig aufrechterhalten wird. Daher kann die gesamte Infiltrationszeit, d. h., die Verarbeitungszeit, minimiert werden.Further is in accordance with the present Invention, the reaction between the present in the Siliziumzuführungskörper present Silicon powder and the carbon obtained from the binder an exothermic reaction, which is why the silicon melted evenly can be. Further, the silicon carbide frame structure formed in the silicon lead body is in FIG able to accumulate the molten silicon due to the surface tension to prevent, therefore, the infiltration surface of the molten silicon can be kept maximum. In addition, the uniform infiltration rate over the entire infiltration surface be maintained by the spatial distribution of the molten Maintain silicon evenly becomes. Therefore, the total infiltration time, i. h., the processing time, be minimized.

Claims (8)

Verfahren zur Herstellung von reaktionsgebundenem Siliziumkarbid (20) mit den Schritten: Bereitstellen eines Siliziumzuführungskörpers (10), welcher Siliziumpulver (11) und Phenolharz, Furfurylalkoholharz und/oder Epoxidharz als Bindemittel enthält; Bereitstellen einer Siliziumkarbid- und Kohlenstoff-Vorform (20) oder einer Siliziumkarbid-Vorform; Inkontaktbringen des Siliziumzuführungskörpers (10) mit einer Oberfläche der Vorform (20) in einem Reaktionsbindungsofen; und Wärmebehandeln dieser mit einer höheren Temperatur als der Schmelztemperatur des Siliziums (11) unter Vakuum oder Inertatmosphäre, damit geschmolzenes Silizium in dem Siliziumzuführungskörper (10) in die Vorform (20) infiltriert, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen den Abmessungen der Partikel des Siliziumpulvers (11) des Siliziumzuführungskörpers (10) und der Partikel des Siliziumkarbidpulvers (21) der Vorform (20) 5:1 bis 25:1 beträgt, und wobei die Größe der Siliziumpulver-Partikel (11) 70 bis 2000 μm ist.Process for the preparation of reaction bonded silicon carbide ( 20 comprising the steps of: providing a silicon delivery body ( 10 ), which silicon powder ( 11 ) and phenolic resin, furfuryl alcohol resin and / or epoxy resin as a binder; Providing a silicon carbide and carbon preform ( 20 ) or a silicon carbide preform; Contacting the silicon delivery body ( 10 ) with a surface of the preform ( 20 ) in a reaction bonding furnace; and heat treating them with a higher temperature than the melting temperature of the silicon ( 11 ) under vacuum or inert atmosphere, so that molten silicon in the silicon feed body ( 10 ) into the preform ( 20 ) infiltrated, characterized in that the ratio between the dimensions of the particles of the silicon powder ( 11 ) of the silicon delivery body ( 10 ) and the particle of silicon carbide powder ( 21 ) of the preform ( 20 ) Is 5: 1 to 25: 1, and wherein the size of the silicon powder particles ( 11 ) Is 70 to 2000 microns. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Siliziumzuführungskörper (10) hergestellt wird, indem ein Brei durch Mischen von 70 bis 99 Gewichtsprozent Siliziumpulver (11) und wämehärtendem Harz (12) mit 1 bis 10 Gewichtsprozent als Bindemittel in bis zu 20 Gewichtsprozent Lösungsmittel gemischt werden; Trocknen des Breis, um Körnchen (22) zu erhalten; und Aushärten der Körnchen.The method of claim 1, wherein the silicon delivery body ( 10 ) is prepared by mixing a slurry by mixing 70 to 99 weight percent silicon powder ( 11 ) and thermosetting resin ( 12 ) are mixed with 1 to 10% by weight as a binder in up to 20% by weight of solvent; Dry the porridge to make granules ( 22 ) to obtain; and curing the granules. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Aushärtetemperatur in dem Bereich von Raumtemperatur bis 120°C liegt.The method of claim 2, wherein the curing temperature is in the range of room temperature to 120 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bindemittel 1 bis 10 Gewichtsprozent thermoplastisches Harz enthält, welches aus Polyvinylbutyral (PVB), Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylacetat (PVAc) und Polymethylmethacrylat (PMMA) ausgewählt wird.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the binder 1 to 10 weight percent thermoplastic resin containing polyvinyl butyral (PVB), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate (PVAc) and polymethyl methacrylate (PMMA) is selected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Bindemittel ein Aushärtemittel mit 1 bis 10 Gewichtsprozent enthält, welches aus Dibutylphthalat (DBT), Benzyl-Butylphthalat (BBT), Polyethylenglykol (PEG), Di-Methylphthalat (DMP), Di-Octylphthalat (DOP) und Glycerol ausgewählt wird.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the binder a curing agent containing 1 to 10 weight percent, which consists of dibutyl phthalate (DBT), benzyl-butyl phthalate (BBT), polyethylene glycol (PEG), di-methyl phthalate (DMP), di-octyl phthalate (DOP) and glycerol is selected. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Aushärtetemperatur in dem Bereich von 60 bis 120°C liegt.Method according to one of claims 2 to 5, wherein the curing temperature in the range of 60 to 120 ° C lies. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Siliziumkarbid-Rahmenstruktur (13) durch Reaktion der Siliziumpartikel (11) und des Bindemittels in dem Siliziumzuführungskörper (10) aufgrund der Wärmebehandlung erzeugt wird.Method according to one of claims 1 to 6, wherein a silicon carbide frame structure ( 13 ) by reaction of the silicon particles ( 11 ) and the binder in the silicon supply body ( 10 ) is generated due to the heat treatment. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Wärmebehandlungstemperatur zwischen 1410 und 1550°C liegt.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the heat treatment temperature between 1410 and 1550 ° C lies.
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