DE3510264A1 - Amorphes feinteiliges pulver und verfahren zur herstellung einer feinteiligen pulvermischung aus siliciumnitrid und siliciumcarbid - Google Patents
Amorphes feinteiliges pulver und verfahren zur herstellung einer feinteiligen pulvermischung aus siliciumnitrid und siliciumcarbidInfo
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Description
Amorphes feinteiliges Pulver und Verfahren zur Herstellung einer feinteiligen Pulvermischung aus Siliciumnitrid und Siliciumcarbid
Die Erfindung betrifft ein neues feinteiliges amorphes Pulver sowie ein Verfahren zur Herstellung einer feinteiligen
Pulvermischung aus Siliciumnitrid und Siliciumcarbid.
Siliciumnitrid- oder Siliciumcarbid-Keramikmaterialien
zeichnen sich durch gute Hochtemperatur-Eigenschaften, beispielsweise eine gute Hochtemperatur-Festigkeit, eine gute
Hochtemperatur-Schockbeständigkeit und dergleichen aus, verglichen mit Keramikmaterialien auf Oxid-Basis, die Aluminiumoxid
als ein typisches Oxid-Keramikmaterial umfassen, und es wurden bereits umfangreiche Untersuchungen in bezug auf
ihre Herstellung und ihre Verwendung durchgeführt. Ihre Verwendung
als Hochtemperatur-Materialien, beispielsweise wärmebeständige Baumaterialien für Gasturbinen, Dieselmotoren,
Wärmeaustauscher und dergleichen, die bei einer hohen Temperatur arbeiten, ist vielversprechend.
Siliciumnitrid- und Siliciumcarbid-Keramikmaterialien haben jedoch trotz ihrer ausgezeichneten Hochtemperatur-Eigenschafte
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TELEX 05293SO
3 5 1 O 21TA
die folgenden Nachteile : So weisen beispielsweise Siliciumnitrid-Keramikmaterialien
mit einer ausgezeichneten Wärmeschock-Beständigkeit eine geringe mechanische Festigkeit
und Oxidationsbeständigkeit bei einer hohen Temperatur auf, während Siliciumcarbid-Keramikmaterialien mit einer ausgezeichneten
Oxidationsbeständigkeit eine geringe Wärmeschock-Beständigkeit besitzen.
Um diese Nachteile zu beseitigen, sind bereits Verfahren zur Herstellung von Verbund-Keramiken, die Siliciumnitrid
und Siliciumcarbid enthalten, untersucht worden, und beispielsweise die folgenden Verfahren vorgeschlagen worden :
(1) Ein Verfahren, bei dem Siliciumnitridpulver mit SiIiciumcarbidpulver
mechanisch gemischt und die Mischung
durch Warmpressen gesintert wird;
(2) ein Verfahren, bei dem ein Gemisch von Siliciumcarbid und Silicium vorher geformt und dann der Formling einer
Nitrierungsbehandlung unterworfen wird, um dadurch SiIiciumnitrid-Anteile
zu bilden, oder bei dem ein Gemisch von Siliciumnitrid und Kohlenstoff vorher geformt und dann
das Gemisch einer Siliciumpermeation unterworfen wird, um dadurch Siliciumcarbid-Anteile zu bilden, worauf in
beiden Fällen eine Reaktionssinterung folgt;
(3) ein Verfahren, bei dem Siliciumpulver Organosilicium-Polymeren
als Ausgangsmaterial zugesetzt wird, die Mischung geformt wird und dann der Formkörper einer Nitrierungsreaktion
unterworfen wird, um dadurch sowohl Siliciumcarbid-Anteile als auch Siliciumnitrid-Anteile zu bilden.
Diese Versuche haben jedoch zu den folgenden Nachteilen geführt : Wenn das konventionelle Ausgangsmaterialpulver verwendet
wird, gibt es eine Beschränkung in bezug auf die gründliche Kontrolle (Regelung) des Mischungsgrades sowie
in bezug auf die Eigenschaften der Teilchen, wie z.B. die Teilchengröße, die Teilchenform und dergleichen, und auch
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in bezug auf das gleichmäßige Mischen der Komponententeilchen; das Ausgangsmaterialpulver neigt dazu, als Folge der
mechanischen Pulverisierung und des Mischens durch Verunreinigungen kontaminiert zu werden,und es besteht die Gefahr,
daß das gewünschte zufriedenstellende Sinterprodukt nicht erhalten werden kann; selbst durch das Reaktionssintern
kann das Sinterprodukt porös werden oder die Stufen oder Arbeitsgänge können kompliziert werden oder es
kann eine Beschränkung in bezug auf die Homogenität der Zusammensetzung bestehen und es besteht die Gefahr, daß
das gewünschte zufriedenstellende Sinterprodukt nicht erhalten wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues, ^5 feinteiliges amorphes Pulver aus kugelförmigen Teilchen
zu schaffen, das nur aus Si, C, N und H besteht und durch Gasphasenreaktion einer von Halogen und Sauerstoff freien
Organosiliciumverbindung erhalten wurde.
Ziel der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen, einheitlichen und feinpulvrigen
Mischung von Siliciumnitrid und Siliciumcarbid durch Wärmebehandeln des neuen feinteiligen amorphen Pulvers aus
kugelförmigen Teilchen zu schaffen.
25
Gegenstand der Erfindung ist ein neues feinteiliges amorphes
Pulver aus kugelförmigen Teilchen, das nur aus Si, C, N und H besteht und dargestellt wird durch die allgemeine
Formel
go SiCxNyHz
go SiCxNyHz
worin 0,1-^x^2,0; 0,1 <. y ^ 1 ,5 und 0 <Γ ζ <C4,
das hergestellt werden kann durch Gasphasenreaktion
einer von Halogen und Sauerstoff freien Organosiliciumverbindung.
35
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine kristalline, ein-
heitliche und feinpulvrige Mischung von Siliciumnitrid und
Siliciumcarbid mit einer hohen Reinheit, die hergestellt werden kann durch Wärmebehandeln des vorstehend beschriebenen
amorphen Pulvers in einer nicht-oxidierenden Gas-
5 atmosphäre.
Das erfindungsgemäße amorphe Pulver weist, wenn es einer
RöntgenpulVerbeugung unterworfen wird, keine Diffraktionen
auf, die auf Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, metallisches Silicium oder eine Graphitkohlenstoffkomponente zurückzuführen
sind, und in dem Pulver sind selbst bei der Elektronenstrahlbeugung
überhaupt keine feinkristallinen Körnchen festzustellen.
Das erfindungsgemäße feinteilige amorphe Pulver ist bei
der Wärmebehandlungstemperatur thermisch stabil bei einer viel geringeren Änderung seiner Zusammensetzung, mit Ausnahme
bei längerem Erhitzen, auf beispielsweise 10000C.
Das erfindungsgemäße amorphe Pulver weist eine Teilchengröße
im Submikronbereich auf und besteht in der Regel aus kugelförmigen Teilchen mit einer Teilchengröße von
0,2 bis 0,05 μπι und einer sehr engen Teilchengrößenverteilung.
Der Bindungszustand der Silicium-, Kohlenstoff-, Stickstoff-
und Wasserstoffatome in dem erfindungsgemäßen feinteiligen amorphen Pulver konnte bisher nicht geklärt werden,
es wurde jedoch gefunden, daß das erfindunsggemäße feinteilige amorphe Pulver Partialstrukturen von N-H, C-H
und Si-H aufweist aufgrund breiter Peaks der IR-Absorptionsspektren.
Das erfindungsgemäße feinteilige amorphe Pulver kann durch
die folgende allgemeine Formel dargestellt werden
SiCxNyHz worin 0,1^x^2,0; 0,KyO,5 und 0<
Das erfindungsgemäße amorphe Pulver kann eine Zusammensetzung
innerhalb des genannten Bereiches haben und eignet sich für die Herstellung von Keramiken.
Wenn das erfindungsgemäße amorphe Pulver auf eine Temperatur
von 13000C oder höher erhitzt wird, werden überschüssiger
Wasserstoff und überschüssiger Kohlenstoff oder Stickstoff freigesetzt unter Bildung einer letztlich kristallinen,
einheitlichen und feinpulvrigen Mischung von Siliciumnitrid und Siliciumcarbid. Der Kristall kann je nach Ätzungsbedingungen
und Zusammensetzung eine kugelförmige, whiskerförmige, plattenförmige oder sonstige Gestalt haben. Es ist
auch möglich, eine Mischung von kristallinen und amorphen Pulvern in jedem gewünschten Mengenverhältnis zu erhalten
durch entsprechende Steuerung (Kontrolle) des Kristallisationsgrades.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen amorphen Pulvers wird
das Ausgangsmaterial einer Gasphasenreaktion (Dampfphasenreaktion) unterworfen durch äußeres Erhitzen auf der Basis
des Widerstandserhitzens oder Hochfrequenzerhitzens oder in einem Plasma.
Das Ausgangsmaterial zur Herstellung des erfindungsgemäßen amorphen Pulvers sind Organosiliciumverbindungen, die im
wesentlichen frei von Halogenatomen und Sauerstoffatomen sind, und es wird zusammen mit einem nicht-oxidierenden
Gas, wie z.B. NH_, H , N_, Ar, He und dergleichen/in einen
Reaktor eingeführt.
Wenn die Ausgangs-Organosiliciumverbindungen Halogenatome
1 oder Sauerstoffatome enthalten, bleiben die Halogenatome
oder Sauerstoffatome in dem feinteiligen amorphen Pulver auch nach der Gasphasenreaktion zurück und es kann das
erfindungsgemäße amorphe Pulver nicht erhalten werden.
Zu Beispielen für die Ausgangs-Organosiliciumverbindungen gehören stickstoffhaltige Organosxliciumverbindungen, die
nur aus Si, N, C und H bestehen, wie z.B. Silazan, Aminosilan,
Cyanosilan und dergleichen, und Polysilan, PoIycarbosilan und dergleichen, die nur aus Si, C und H bestehen.
Bei den Ausgangsmaterialien kann es sich beispielsweise um die folgenden handeln :
1) Silazanverbindungen, dargestellt durch die allgemeine Formel [R1R2R3Si]2NR4 oder -4.R1R2Si-NR3-4-n
1 4
worin R bis R Wasserstoffatome, Alkylgruppen, Arylgruppen und Phenylgruppen und η die Zahl 3 oder 4 darstellen, wie [HSi (CH3) 232NH, [ (CH3) 3Si]2NH, [(CH3J3SiJ2NCH3, [ (CH2=CH) Si (CH3) 2]NH, -E-(CH3J2Si-NH 4^/ +-(CH3) 2Si-NCH3-^3
worin R bis R Wasserstoffatome, Alkylgruppen, Arylgruppen und Phenylgruppen und η die Zahl 3 oder 4 darstellen, wie [HSi (CH3) 232NH, [ (CH3) 3Si]2NH, [(CH3J3SiJ2NCH3, [ (CH2=CH) Si (CH3) 2]NH, -E-(CH3J2Si-NH 4^/ +-(CH3) 2Si-NCH3-^3
und dergleichen, oder 6-gliedriges cyclisches Tris(N-methylamino)-tri-N-methyl-cyclotrisilazan
mit einer N-Methylaminogruppe an dem Siliciumatom als Substituent, dargestellt
durch die Formel
f3
30 H3CHN - Si Si - NHCH;
H.C - N N- CH7
Si
H NHCH3 35
2) Organosiliciumverbindungen der allgemeinen Formel
RnSi(NR1N") , worin Rf R' und R" Wasserstoffatome, Alkylgruppen,
Arylgruppen und Phenylgruppen sind, wobei jedoch R, R1 und R" nicht gleichzeitig Wasserstoffatome sein
können, und η = 0 bis 3 und m = 4-n bedeuten, wie z.B. Aminosiliciumverbindungen, wie CH3Si(NHCH3)3, (CH3)2Si-(NHCH3J2,
(CH3) SiZN(CH3)J2 und dergleichen.
3) Organosiliciumverbindungen der allgemeinen Formel
RnSi(CN) , worin R ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe,
eine Arylgruppe oder eine Phenylgruppe und η = 0 bis 3 und m = 4-n bedeuten, wie z.B. Cyanosiliciumverbindungen,
wie H.,SiCN, (CH^)-SiCN, (CH.,) 9Si (CN) 9 , (CH9=CH)CH-Si(CN)9,
(C--H,-)-Si(CN) , (C^H,-) -Si(CN)- und dergleichen.
4) Organosiliciumverbindungen der allgemeinen Formel
R9 +9(Si) , worin R ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe,
eine Arylgruppe oder eine Phenylgruppe, wobei jedoch die Reste R nicht gleichzeitig Wasserstoffatome sein können,
und η eine Zahl von 1 bis 4 bedeuten, oder Organosiliciumverbindungen
der allgemeinen Formel R-.Si —f~R' -R9Si-)—R,
worin R ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe, eine Arylgruppe oder eine Phenylgruppe, R1 eine Methylengruppe,
eine Äthylengruppe oder eine Phenylengruppe und m die Zahl
25 1 oder 2 bedeuten, wie z.B.
CH, CH, CH-, CH- CH-,
, 3 j 3 - ,3,3,3
C6H5SiH3, H-Si-Si-H, H-Si-Si-Si-H
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
CH- CH- CH-, CH-,
j 3 ,3 ,3 ,3
H-Si- CH9 - Si - H, H - Si - CCH. -Si-H,
Ii I 6 4,
35 CH3 CH3 CH3
f3 f3 CH3
- Si - Si - CH3, CH3 - Si -
CH3 CH3 CH
3, CH3 - Si - CH2 - L 3
CH3 CH3 CH3
CH3 - Si - Si - Si - CH3, CH3-Si-Q^Si-CH3,
CH3 CH3 CH3
und dergleichen.
Diese Ausgangsverbindungen können unter Anwendung eines konventionellen Destillationsverfahrens/ Sublimationsverfahrens
und dergleichen bis zu einer sehr hohen Reinheit gereinigt werden. Diese Ausgangsverbindungen können allein
oder in Form einer Mischung von mindestens zwei Verbindungen dem Gasphasenreaktionssystem zugeführt werden.
Wenn die Ausgangsverbindung bei Raumtemperatur in einem
flüssigen oder festen Zustand vorliegt, ist es wichtig, die Ausgangsverbindung in einer geeigneten Einrichtung,
beispielsweise einer indirekten Erhitzungseinrichtung und dergleichen, zu verdampfen und dann die gasförmige Ausgangs
verbindung dem Gasphasenreaktionssystem zuzuführen, wobei man ein einheitliches, feinteiliges amorphes Pulver
erhält.
Außerdem ist es möglich, nicht nur den Partialdruck der Ausgangsverbindung einzustellen und seine Zuführungsgeschwindigkeit
zu kontrollieren durch Einführung der Ausgangsverbindung zusammen mit einem nicht-oxidierenden Gas,
wie z.B. NH3, H2, N_, Ar, He und dergleichen, sondern auch
die Zusammensetzung des feinteiligen amorphen Pulvers (das C/N-Verhältnis) zu kontrollieren bzw. zu steuern durch
Auswahl des nicht-oxidierenden Gases, wie z.B. NH3, H3,
N2, Ar, He und dergleichen oder seines -Mischungsverhältnisses.
Zur Erhöhung des Stickstoffgehaltes des fein-
351026A
teiligen amorphen Pulvers ist NH_ beispielsweise als nichtoxidierendes
Gas besonders bevorzugt. Im Falle der Polysilane und Polycarbosilane, die nur aus Sif C und H bestehen,
als Ausgangsverbindung ist es auch möglich, Stickstoff
leicht in das resultierende feinteilige amorphe
Pulver einzuführen durch Verwendung von NH3 als nichtoxidierendes
Gas, wobei aktive Reste, wie z.B. NH oder NH2*
die durch die thermische Zersetzung von NH3 entstehen, Siliciumatome angreifen, während die Kohlenstoffkomponenten
als Kohlenwasserstoffe, wie z.B. CH4 und dergleichen,freigesetzt
werden, so daß sich die Stickstoffatome wirksam mit den Siliciumatomen kombinieren können. NH3 kann ebenso als
Wasserstoffquelle wie H2 wie auch als nicht-oxidierendes
Gas fungieren. Der Wasserstoff kann leicht die Hydrierung-Dehydrierung
der Ausgangs-Organosiliciumverbindungen
initiieren und sie in ein feinteiliges amorphes Pulver mit der gewünschten Zusammensetzung überführen. NH3 wird
in einem Atomverhältnis von Stickstoff von NH3 zu Silicium
der Ausgangsverbindung, d.h. N/Si < 10, verwendet, während
H2 in einem Atomverhältnis von Wasserstoff von H2 zu Si in
der Ausgangsverbindung, d.h. H/Si<100, verwendet wird.
Durch geeignete Auswahl der Reaktionstemperatur und der Reaktionszeit innerhalb dieses Bereiches der Atomverhältnisse
kann das erfindungsgemäße feinteilige amorphe Pulver
25 hergestellt werden.
Bei der Gasphasenreaktion liegt die Reaktionstemperatur
innerhalb eines Bereiches von 600 bis 1600°Cf vorzugsweise
von 800 bis 14000C. Wenn die Reaktionstemperatur unter 600°C
liegt, läuft die Reaktion nicht vollständig ab und manchmal können nicht-bevorzugte Polymere der Organosiliciumverb
indung gebildet werden. Die resultierenden Polymeren
weisen mehr organische Gruppen auf und besitzen damit eine geringe Wärmebeständigkeit. Das heißt, die Zusammensetzung
ändert sich stark unterhalb der Warmebehandlungstemperatur und auch die Form ist variabel, was zur Bildung eines harzartigen
351026A Produktes führt. Das Ziel der vorliegenden Erfindung kann
daher unter 6000C nicht erreicht werden.
Andererseits treten dann, wenn die Reaktionstemperatur über
16000C liegt, beträchtliche Ablagerungen an metallischem
Silicium, Kohlenstoff und dergleichen auf und diese ist somit nicht praktikabel.
Bei der Gasphasenreaktion hängen der Partialdruck der Ausgangsverbindung
und die Reaktionszeit von der gewünschten Teilchengröße des feinteiligen amorphen Pulvers, der Raum-Zeit-Ausbeute
(STY) und dergleichen ab. Der Partialdruck der Ausgangsverbindung als Gas beträgt 0,001 bis zu einigen
wenigen Atmosphären, vorzugsweise 0,01 bis 0,5 Atmosphären. Die Reaktionszeit beträgt in der Regel 120 bis 0,05 Sekunden,
vorzugsweise 60 bis 0,1 Sekunden.
Wenn der Partialdruck der gasförmigen Ausgangsverbindung unterhalb des unteren Grenzwertes liegt oder wenn die Reaktionszeit
oberhalb des oberen Grenzwertes liegt, muß der Reaktor unnötig groß gemacht werden und dadurch wird das
Verfahren unwirtschaftlich. Wenn andererseits der Partialdruck oberhalb des oberen Grenzwertes liegt oder die Reaktionszeit
unterhalb des unteren Grenzwertes liegt, kann es manchmal vorkommen, daß die Gasphasenreaktion praktisch
nicht abläuft.
Durch eine geeignete Kombination der Art der Ausgangsverbindung, der Art des nicht-oxidierenden Gases und der ReakgQ
tionsbedingungen ist es möglich, ein feinteiliges amorphes Pulver aus kugelförmigen Teilchen in einem breiten Zusammensetzungsbereich
herzustellen.
Das erfindungsgemäße amorphe Pulver wird nicht nur als
Ausgangsmaterial für Verbund-Keramiken, sondern auch als funktionelle Materialien für Solarzellen und dergleichen
verwendet.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Ausführung sbeispiele und die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 ein Röntgenbeugungsdiagramm eines nach Beispiel 1 hergestellten feinteiligen amorphen Pulvers;
Fig. 2 ein Infrarotabsorptionsspektrum eines nach Beispiel
1 hergestellten feinteiligen amorphen Pulvers; und
10
Fig. 3 ein Abtastelektronenmikroskopbild eines nach Beispiel 1 hergestellten feinteiligen amorphen Pulvers.
15
Ein Reaktionsrohr aus hochreinem Aluminiumoxid mit einem Innendurchmesser von 25 mm und einer Länge von 700 mm wurde
in einem Elektroofen angeordnet und Trimethylcyanosilan
wurde als Ausgangsverbindung in einer Vorerhitzungseinrichtung in einer vorgegebenen Geschwindigkeit bzw. Rate eingeführt,
um die Ausgangsverbindung vollständig zu verdampfen, und dann mit H», Ar und NH3 in vorgegebenen Geschwindigkeiten
bzw. Raten gründlich gemischt zur Herstellung eines Beschickungsgases mit einem Volumenverhältnis von
(CH3)3SiCN:H2:Ar:NH3 = 5,0:43,0:46,0:6,0. Das Beschickungsgas wurde in das Reaktionsrohr eingeführt und durch die
Reaktionszone, die bei 12000C gehalten wurde, hindurchgeleitet
bei einer Verweilzeit von 1,2 Sekunden.
Die Reaktionsmischung wurde in eine Falle eingeleitet, um das als Produkt erhaltene feinteilige amorphe Pulver einzufangen.
Die Reaktionsbedingungen und die Zusammensetzung des dabei erhaltenen Pulvers sind in der folgenden Tabelle
I angegeben. Das Röntgenbeugungsdiagramm, das Infrarotabsorptionsspektrum
und das Abtastelektronenmikroskopbild des auf diese Weise hergestellten feintfeiligen amorphen
20 25 30
Pulvers sind jeweils in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellt.
BEISPIELE 2 bis 12
Es wurden Gasphasenreaktionen verschiedener Ausgangsverbindungen in der gleichen Apparatur, wie sie im Beispiel 1
verwendet worden war, durchgeführt. Die Arten der Ausgangsverbindungen, die Reaktionsbedingungen und die Zusammensetzung
des Produkts sind in der folgenden Tabelle I angegeben.
35
co
CJl
ω
ο
to
CJl
CJi
CJl
Beisp.
N°
N°
Organosilicium
verbindung
verbindung
Re aktions- temp. (0C) Reaktionsbedingungen
Beschickung
Zusammensetzung des
Produkts
SiCxNyHz
Reak- Organotions- siliciumzeit verbindung
(s) (Vol.%)
1200 | 1.2 |
1200 | 2.3 |
1200 | 1.9 |
1200 | 2.5 |
1300 | 1.0 |
1300 | 0.9 |
1100 | 1.1 |
1200 | 2.9 |
1200 | 2.6 |
1200 | 2.2 |
1200 | 2.0 |
1100 | 2.4 |
.0 | Ar | 0 | NH3 | .%) | X | 62 | Y | 99 | 0 | Z | |
2 | - | 1 | (VoI | 0 | 49 | 35 | 0 | ||||
(Vol.%) | - | (Vol.%) | 3 | 6. | 1 | 0. | 46 | 0. | 59 | 0 | .15 |
43 | - | 46. | 3 | 8. | 3 | o. | 58 | 1. | 23 | 0 | .43 |
- | 89. | 2 | 6. | 4 | 1. | 05 | 0. | 14 | 0 | .33 | |
.4 | 91. | 8 | 4. | 0. | 56 | 1. | 08 | 0 | .74 | ||
.6 | 89. | 1 | - | 1. | 34 | 1. | 91 | 0 | .28 | ||
- | 94. | 3 | - | 0. | 76 | 1. | 03 | 0 | .50 | ||
71 | - | 24. | 8 | - | 0. | 46 | 0. | 10 | 0 | .50 | |
70 | - | 26. | 9 | - | 1 | 1. | 74 | 1. | 11 | 0 | .26 |
- | 95. | 9 | 20. | 5 | 0. | 57 | 1. | 88 | 0 | .59 | |
- | 73. | 5 | 50. | 7 | 0. | 06 | 1. | 65 | 0 | .53 | |
31. | 61. | 3 | 0. | 0. | .87 | ||||||
30. | 12. | 1. | 0. | .55 | |||||||
82. | |||||||||||
1 | (CH3)3SiCN |
2 | (CH3) 3SiCN |
3 | (CH3J2Si(CN)2 |
4 | CH3Si(NHCH3)3 |
5 | CH3Si(NHCH3)3 |
6 | CH3Si(NHCH3)3 |
7 | CH3Si(NHCH3)3 |
8 | (CH3J2Si[N(CH3 |
9 | [Si(CH3)3I2NH |
10 |
iOTJ \ CA
\v^n* ) .pi |
11 | [(CH3J3Si]2 |
12 | [(CH3J3Si]2CH2 |
5.0 2.8 2.4 6.3 5.8 3.8 3.3 5.7 6.1 17.6 7.4 5.2
GO OT _\ Cj
1 Wie vorstehend angegeben, kann das erfindungsgemäße
feinteilige amorphe Pulver aus verschiedenen Ausgangsverbindungen hergestellt werden. Durch Wärmebehandeln des
dabei erhaltenen feinteiligen amorphen Pulvers kann ein feinkristallines, einheitliches und feinteiliges Pulver
von Siliciumnitrid und Siliciumcarbid hergestellt werden. Die Wärmebehandlungsbedingungen sind eine Temperatur von
1300 bis 15000C für eine Zeitspanne von 0,5 bis 24 Stunden
in der Atmosphäre eines nicht-oxidierenden Gases, wie Ar, He, H9 oder N0 alleine oder in Form einer Mischung davon.
Durch die Wärmebehandlung wird aus dem erfindungsgemäßen
feinteiligen amorphen Pulver überschüssiger C, N und H freigesetzt und es tritt eine Kristallisation auf, die
zu einem feinkristallinen, einheitlichen und feinteiligen pulverförmigen Gemisch von Siliciumnitrid und Siliciumcarbid
führt. Durch geeignete Auswahl der Wärmebehandlungsbedingungen kann ein gemischtes Pulver aus kristallinem
Siliciumnitrid und/oder kristallinem Siliciumcarbid, wobei
20 der Rest ein amorphes Pulver ist, hergestellt werden.
In den folgenden Beispielen ist die Herstellung einer feinkristallinen Pulvermischung von Siliciumnitrid und Siliciumcarbid
aus Cyanosilan, Aminosilan, Silazan, Polycarbosilan und dergleichen als Ausgangsverbindungen beschrieben.
Die Gasphasenreaktion von Organosiliciumverbindungen mit einer Cyanogruppe wurde in der gleichen Apparatur, wie sie
in Beispiel 1 verwendet worden war, auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt. Alle in der Falle eingefangenen
feinteiligen amorphen Pulver bestanden aus kugelförmigen Teilchen mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 1 μπι.
Dann wurde das amorphe Pulver in einer 'inerten Atmosphäre
35 ι 026 A in ein Rohr aus hochreinem Aluminiumoxid eingefüllt und
in einem auf 15000C erhitzten Elektroofen 2 Stunden lang
in einer Argonatmosphäre behandelt. Die Reaktionsbedingungen und die Röntgenanalyse des kristallinen Pulvers
sind in der folgenden Tabelle II angegeben. Durch Röntgenbeugung wurde gefunden, daß alle kristallinen Pulver nur
B-SiC- und CC-Si-SL-Komponenten enthielten und durch
Fluoreszenzröntgenanalyse der Verunreinigungen wurde auch gefunden, daß die Gehalte an Fe, Al, Ca und K alle unter
10 ppm lagen, und daß der Gehalt an Cl unter 100 ppm lag.
'MAI, f!\[p^^
to
CJl
to
CJi
CJi
ι | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 |
ΜξτΊ ΗΡ ■ N . ■— 'Reaktionstemp. (0C) |
1200 | 1400 | 1000 | 1200 | 1400 |
Reaktionszeit (s) | 1.8 | 1.8 | 1.3 | 1.8 | 3.2 |
' Cyanoorganos ilic ium- verbindunq (vol%) |
(CH3)3SiCN | (CH3J3SiCN | (CH3)3SiCN | (CH3)2SiCN2 | (CH3)3SiCN |
H2 (vol%) | 8.5 | 3.4 | 4.7 | 3.0 | 4.9 |
N2 (vol%) | 0 | 0 | 40.4 | 0 | 0 |
NH3 (vol%) | 73.6 | 85.6 | 43.1 | 92.5 | 95.1 |
SiC (Gew.%) | 17.9 | 11.0 | 11.8 | 4.5 | 0 |
Si3N4 (Gew.%) | 67.0 | 25.4 | 7.5 | 92.7 | 98.2 |
33.0 | 74.6 | 92.5 | 7.3 | 1.8 |
1 BEISPIELE 18 bis 21
Kristalline pulverförmige Mischungen von Siliciumnitrid
und Siliciumcarbid wurden aus Aminosilanverbxndungen als Ausgangsverbindungen durch Gasphasenreaktion und anschließende
Wärmebehandlung auf die gleiche Weise wie in Beispiel 13 hergestellt. Die Gasphasenreaktionsbedingungen
und die Röntgenanalyse des wärmebehandelten Produkts
sind in der folgenden Tabelle III angegeben (die Wärmebehandlungsbedingungen waren die gleichen wie in Beispiel
13). Durch Fluoreszenzröntgenanalyse der Verunreinigungen
wurde gefunden, daß die Gehalte an Fe, Al, Ca und K alle unter 10 ppm lagen und daß der Gehalt an Cl unter 100 ppm
lag.
15
ORIGINAL SNSFECTED
ω
ο
bo
O "■·!
Ί υ
Ί 1
to
O
cn
Beisp. N° | 18 | 19 | 20 | 3.3 | 21 |
Reaktionstemp. (°c) | 1200 | 1300 | 1100 | 71.8 | 1200 |
Reaktionszeit (s) | 2.5 | 1.0 | 1.1 | 0 | 2.9 |
Aminoorganosilicium- verbindung (vol%) |
CH3Si(NHCH3) 3 | wie in Beisp.18 wie in Beisp.18 | 24.9 | CH3Si (N (CH3) 2)3 | |
H2 (Vol.%) | 6.3 | 5.8 | 22 | 5.2 | |
NH3 (Vol.%) | 0 | 0 | 78 | 0 | |
Ar (Vol.%) | 4.1 | 0 | 23.7 | ||
SiC (Gew.%) | 89.6 | 94.2 | 71.1 | ||
Sim (Gew.%) | 67 | 93 | 71 | ||
33 | 7 | 29 |
—Λ
ho
co
οο : J Ib
BEISPIELE 22 bis 25
Kristalline pulverförmige Mischungen von Siliciumnitrid
und Siliciumcarbid wurden aus Silazanverbindungen als Ausgangsverbindungen
durch Gasphasenreaktion und anschließende Wärmebehandlung auf die gleiche Weise wie in Beispiel 13
hergestellt.
Die Gasphasenreaktionsbedingungen und die Röntgenanalyse des wärmebehandelten Produktes sind in der folgenden Tabelle
IV angegeben (die Wärmebehandlungsbedingungen waren die gleichen wie in Beispiel 13). Durch Fluoreszenzröntgenanalyse
der Verunreinigungen wurde gefunden, daß die Gehalte an Fe7 Al, Ca und K alle unter 10 ppm lagen und daß
der Gehalt an Cl unter 100 ppm lag.
Beisp. N0 | 22 | 23 | 3.4 | 24 | 25 | 2.1 |
Reaktionstemp. (0C) | 1200 | 1200 | 30.5 | 1200 | 1000 | 0 |
Reaktionszeit (s) | 2.5 | 2.5 | 47.1 | 2.3 | 2.7 | 97.9 |
Silazanverbin- dung (vol%) |
t(CH3)3Si]2NH | 19.0 | -E-(CH3J2SiNH +3· | Q | ||
H2 (vol%) | 6.0 | 16.1 | 2.3 | 88.9 | ||
N2 (vol%) | 0 | 83.9 | 0 | 11.1 | ||
NH3 (vol%) | 82.0 | 94.5 | ||||
SiC (Gew.%) | 12.0 | 3.2 | ||||
Si3N4 (Gew.%) | 54.8 | 35.0 | ||||
45.2 | 65.0 |
BEISPIELE 26 bis 28
Kristalline pulverförmige Mischungen von Siliciumnitrid
und Siliciumcarbid wurden aus einer Silan-, Polysilan- und Polycarbosilan-Verbindung als Ausgangsverbindungen
durch Gasphasenreaktion und anschließende Wärmebehandlung auf die gleiche Weise wie in Beispiel 13 hergestellt.
Die Gasphasenreaktionsbedingungen und die Röntgenanalyse
der wärmebehandelten Produkte sind in der folgenden Tabelle V angegeben (die Wärmebehandlungsbedingungen waren
die gleichen wie in Beispiel 13). Durch Fluoreszenzröntgenanalyse der Verunreinigungen wurde gefunden, daß die Gehalte
an Fe, Al, Ca und K alle unter 10 ppm lagen und daß
der Gehalt an Cl unter 100 ppm lag.
Beisp.N0 | 26 | 27 | 28 |
Reaktionstemp. (0C) | 1200 | 1200 | 1100 |
Reaktionszeit (s) | 2.2 | 2.0 | 2.4 I |
Organos ilic iumver- bindung (vol%) |
(CH3J4Si | [(CH3)3Si]2 | [(CH3J3Si]2CH2 |
NH3 (vol%) | 17.6 | 7.4 | 5.2 |
Ar (vol%) | 50.5 | 61.7 | 12.3 |
SiC (Gew.%) | 31.9 | 30.9 | 82.5 |
Si3N4(Gew.%) | 42.5 | 35.6 | 72.1 |
57.5 | 64.4 | 27.9 |
Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert,
es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in
vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen
wird.
10
15
20
25 30 35
Claims (14)
1. Feinteiliges amorphes Pulver aus kugelförmigen Teilchen,
gekennzeichnet durch die allgemeine Formel
SiCxNyHz,
worin 0,1 < χ <2,0; 0,1
< y < 1,5 und 0 <- ζ < 4.
2. Verfahren zur Herstellung eines feinteiligen amorphen
Pulvers aus kugelförmigen Teilchen der allgemeinen Formel
SiCxNyHz
worin 0,1-c χ <
2,0; 0,1 < y 4. 1,5 und 0 <- ζ <
4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasphasenreaktion einer Stickstoff enthaltenden Organosiliciumverbindung durchgeführt
wird, die im wesentlichen frei von Halogenatomen und Sauerstoffatomen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stickstoff enthaltende Organosiliciumverbindung eine
Silazanverbindung der allgemeinen Formel verwendet wird
oder
1 4
worin R bis R Wasserstoffatome, Alkylgruppen, Arylgruppen
worin R bis R Wasserstoffatome, Alkylgruppen, Arylgruppen
1 4 oder Phenylgruppen, mit der Maßgabe, daß R bis R nicht
gleichzeitig Wasserstoffatome sein können, und η die Zahl 3 oder 4 bedeuten.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stickstoff enthaltende Organosiliciumverbindung eine
Aminoorganosiliciumverbindung der allgemeinen Formel ver-
wendet wird :
RnSi(NR1R")
worin R, R1 und R" Wasserstoffatome, Alkylgruppen, Arylgruppen
und Phenylgruppen, mit der Maßgabe, daß R, R1 und
R" nicht gleichzeitig Wasserstoffatome sein können, und
η = 0 bis 3 und m = 4-n bedeuten.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stickstoff enthaltende Organosiliciumverbindung eine
Silanverbindung der allgemeinen Formel verwendet wird
RnSi(CN)1n
worin R ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe, eine Arylgruppe
oder eine Phenylgruppe und η = 0 bis 3 und m = 4-n bedeuten.
6- Verfahren zur Herstellung eines feinteiligen amorphen
Pulvers aus kugelförmigen Teilchen der allgemeinen Formel
SiCxNyHz
25 worin 0,1 <£ χ
< 2,0; 0,1 <^y <1,5 und 0 <έ ζ <
4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasphasenreaktion durchgeführt wird von
(1) einer Organosiliciumverbindung der allgemeinen Formel R2 +2(Si) , worin R ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe,
eine Arylgruppe oder eine Phenylgruppe, mit der Maßgabe, daß die Reste R nicht gleichzeitig Wasserstoffatome sein
können, und η eine Zahl von 1 bis 4 bedeuten,
(2) einer Organosiliciumverbindung der allgemeinen Formel R_Si—-fR1-R2Si-H- R/ worin R ein Wasserstoff atom, eine
Alkylgruppe, eine Arylgruppe oder eine Phenylgruppe; R' eine Methylengruppe, eine Äthylengruppe, oder eine Phenylengruppe
und m die Zahl 1 oder 2 bedeuten.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasphasenreaktion bei
bis 16000C durchgeführt wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasphasenreaktion in einer
nicht-oxidierenden Gasatmosphäre aus Ar, He, N2/ NH3 oder
H„ durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die NH^-Menge einem Atomverhältnis von N in NH3 zu Si in
der AusgangsVerbindung, d.h. N/Si, von weniger als 10 entspricht.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die H0-Menge einem Atomverhältnis von H in H0 zu Si in der
Ausgangsverbindung, d.h. H/Si, von weniger als 20 entspricht.
11. Verfahren zur Herstellung einer feinteiligen pulverförmigen
Mischung von kristallinem Siliciumnitrid und kristallinem Siliciumcarbid, dadurch gekennzeichnet, daß
ein feinteiliges amorphes Pulver aus kugelförmigen Teilchen der allgemeinen Formel
SiCxNyHz
worin 0 , 1 -<: x-c 2,0; 0,1
<y<1,5 und 0 < ζ <- 4, wärmebehandelt
wird.
12. Verfahren zur Herstellung einer feinteiligen pulverförmigen
Mischung von mindestens einem kristallinen Siliciumnitrid und einem kristallinen Siliciumcarbid, wobei
der Rest ein amorphes Pulver ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein feinteiliges amorphes Pulver aus kugelförmigen
Teilchen der allgemeinen Formel
ζ 3510254
I SiCxNyHz
wor in 0,1 <c χ ^ 2,0; 0 ,1 <
y< 1,5 und 0 ^ ζ <Γ 4, wärmebehandelt
wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmebehandlung bei 1300 bis 155O0C durchgeführt wird.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer Inertgasatmosphäre aus mindestens einem der Vertreter
Ar, He, Η~ und N- durchgeführt wird.
ORIGINAL INS
COFY
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