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
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Abstract
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
Die
deutsche Offenlegungsschrift
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:
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
Anschließend werden
der Siliziumzuführungskörper
Die
vorstehende Rahmenstruktur
Andererseits
besitzt die Siliziumkarbid-Rahmenstruktur
Wie
vorstehend beschrieben, ist, wenn das reaktionsgebundene Siliziumkarbid
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
Der
Schmelzsiliziumzuführungskörper
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
Als
ein weiteres Verfahren wird die gewünschte Menge an Siliziumpulver
Das
erzeugte Granulat wird mit 5 bis 400 MPa in dem Temperaturbereich
von Raumtemperatur bis 120°C
komprimiert, um den Siliziumzuführungskörper
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
Tabelle
1 stellt die Dichte und die Dichte nach Sinterung des reaktionsgebundenen
Siliziumkarbids
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)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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KR10-2002-0023774A KR100471652B1 (en) | 2002-04-30 | 2002-04-30 | Method of manufacturing reaction-bonded silicon carbide |
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