DE3931181A1

DE3931181A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundkoerpers

Info

Publication number: DE3931181A1
Application number: DE19893931181
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1989-09-19
Filing date: 1989-09-19
Publication date: 1991-03-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus wenigstens zwei Komponenten, bei dem eine der Komponenten eine durchgängige Matrix aus Kohlenstoff bildet, in die als weitere Komponente Keramik in Pulver form eingelagert ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Verbundkörper, bestehend aus wenigestens zwei Komponenten, bei dem die eine Komponente als durchgängige Matrix aus Kohlenstoff ausgebildet ist, in die als weitere Komponente(n) Keramik in Pulverform eingelagert ist.

Verbundkörper, die aus zwei oder mehr Komponenten aufgebaut sind, werden hergestellt mit dem Ziel, die Eigenschaften der einzelnen Komponenten zu verbessern. Hierbei spielt das Gefüge des Werkstoffs eine große Rolle. Man unterscheidet zwischen einem Durchdringungs- und einem Einlagerungsgefüge. Beim Durchdringungsgefüge bilden beide Komponenten zusammenhängende Matrices, die, wie der Name sagt, sich gegenseitig durchdringen. Bei dem Einlagerungs gefüge sind Partikeln einer Komponente in die Matrix einer anderen eingelagert. Für die Eigen schaften eines Verbundkörpers sind neben der Art des Gefügeaufbaus auch andere Parameter von großer Bedeutung. Neben der Homogenität der Verteilung der Komponenten spielen die Eigenschaften der Einzelkomponenten eine große Rolle. Physikalische oder chemische Wechselwirkungen zwischen den Kom ponenten sind meistens unerwünscht, ihr Vorhanden sein manchmal jedoch beabsichtigt.

Verbundkörper mit einer Kohlenstoffmatrix und einem Metall als eingelagerter Komponente sind schon seit langem bekannt. So bestehen die für die Stromabnahme bei Elektromotoren verwendeten sog. Kohlebürsten aus Kohlenstoff, in den Kupferpartikeln zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit eingelagert sind. Auch Verbundkörper der eingangs bezeichneten Art sind bekannt. Allerdings ist bei diesen die Masse der eingelagerten Komponente im Vergleich zur Kohlenstoffmatrix relativ gering.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, nach dem ein Verbundkörper der eingangs bezeichneten Art mit einem höheren Anteil an der Keramikkomponente herstellbar ist, so daß die Eigenschaften der Keramikkomponenten besser zum tragen kommen, der außerdem eine gute Homogenität im Hinblick auf die Ausbildung der Matrix als auch im Hinblick auf die Verteilung der Pulverkörner und trotz des geringeren Anteils an Kohlenstoff dessen gute Wärmeleitfähigkeit im Verhältnis zur Keramikkomponente aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ver fahren mit den Verfahrensmaßnahmen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Es hat sich gezeigt, daß die dünne, aus dem Rinder bestehende Umhüllung der Pulverkörner, die sich nach dem Mischvorgang gebildet hat, auch bei einer Schichtdicke von weniger als 1 µm hinreicht, um eine durchgehende Kohlenstoffmatrix zu bilden.

Die Mischung sollte fließfähig sein, um die mit dem Binder umhüllten Körner gleichmäßig in der Form verteilen zu können, in der sie zu dem Grün körper verarbeitet werden. Auf diese Weise läßt sich ein Verbundkörper mit guter Homogenität er halten. Dazu kann es notwendig sein, die Mischung, falls sich nach dem Verflüchtigen des Lösungs mittels eine feste Masse bildet, durch Mahlen zu zerkleinern, um das Mahlprodukt in homogener Schüt tung in der Form zu verteilen.

Als zweckmäßig hat sich erwiesen, einen Binder einzusetzen, der nach den Verkoken einen Koksrück stand von mindestens 40 Massen-% bezogen auf die Masse des eingesetzten Binders aufweist. Solche Binder, die einen hinreichenden Kohlenstoffgehalt in der Matrix garantieren, sind beispielsweise Kunstharze, aber auch Teer und Pech. Da es zudem leicht zu verarbeiten ist - es ist in Wasser lös lich -, ist Phenolformaldehyd bevorzugt einzusetzen.

Zweckmäßig ist ferner, daß die Korngröße der einzu lagernden Komponente den Mikrometerbereich nicht übersteigt. Die dadurch bedingte feine und zugleich homogene Verteilung der keramischen Komponente bewirkt - zusammen mit deren hohen Anteil im Ver bundkörper -, daß der Verbundkörper in höherem Maße die Eigenschaften der keramischen Komponente aufweist als bei gröberen Körnern.

Wird beispielsweise als keramische Komponente Silicium- und/oder Borcarbid vorgesehen, dann weist der Verbundkörper neben der Wärmeleitfähig keit der Kohlenstoffmatrix eine höhere Festigkeit auf als ein Kohlenstoffkörper. Selbstverständlich kann die keramische Komponente aus einem Gemisch unterschiedlicher Materialien bestehen. So kann beispielsweise auch ein Gemisch aus Siliciumcarbid und Wolframcarbid Verwendung finden.

Wie sich in Untersuchungen gezeigt hat, ist ein Verbundkörper, bestehend aus der Kohlenstoffmatrix mit darin eingelagerten Siliciumcarbidkörnern, darüber hinaus auch temperaturwechselbeständiger als ein nur aus Siliciumcarbid bestehender Körper. Wird ein Kohlenstoffkörper punktuell mit hoher Energie, z. B. Laser- oder Elektronenstrahlen belastet, dann verdampft der Kohlenstoff an der erhitzten Stelle, während es bei einem reinen Siliciumcarbidkörper in einem solchen Falle zu Abplatzungen bzw. Reißen des Körpers kommt. Dagegen zeigt der aus Kohlenstoff und Siliciumcarbid be stehende Verbundkörper keinen derartigen Nachteil. Von Vorteil ist dabei die hohe durchgängige Poro sität des Verbundkörpers, die auf den geringen Kohlenstoffgehalt im Verbundkörper zurückzuführen ist. Es sollte daher ein Kohlenstoffgehalt im Verbundkörper erheblich unter den genannten 20%, eher noch unter 15% angestrebt werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die aus der DE-PS 20 40 252 bekannte Verfahrensweise zur Herstellung der Mischung eingesetzt. Dabei wird zur Herstellung der Mischung aus Rinder und einzu lagernden Pulverkörnern das aus Pech, Teer oder Kunstharz bestehende Bindemittel in einem Löse mittel ganz oder zum Teil gelöst, in die Lösung die Pulverkörner eingegeben und die so gebildete Aufschlämmung sodann in eine andere Flüssigkeit, mit der das Lösungsmittel mischbar, in der das Bindemittel jedoch nicht oder nur schwer löslich ist, wie Wasser im Falle von Phenolformaldehyd, eingegeben, worauf sich die mit Bindemittel über zogenen Pulverkörner als schlammige Masse absetzen und durch Dekantieren von der überstehenden Flüssig keit befreit und anschließend getrocknet werden. Bei dieser Verfahrensweise wird jedes Korn mit einem Binderfilm überzogen. Auch bei einer Umhül lung mit sehr geringer Schichtdicke kann somit eine homogene durchgehende Matrix erzeugt werden. Außerdem liegt die auf diese Weise hergestellte Mischung nach dem Trocknen in rieselfähiger Form vor und muß nicht aufgemahlen werden. Das ent stehende, rieselfähige Pulver besteht vorwiegend aus Agglomeraten, die aus mehreren, mit Binder überzogenen Pulverpartikeln bestehen.

Als vorteilhaft hat sich außerdem erwiesen, das aus der DE-PS 21 33 044 bekannte Formgebungsver fahren einzusetzen. Dabei wird zur Formgebung des Grünkörpers die Mischung nach der Trocknung in die für die Formgebung vorgesehene Form gebracht, anschließend den Dämpfen von Flüssigkeiten, in denen das Bindemittel ganz oder teilweise löslich ist, ausgesetzt und im Anschluß daran getrocknet.

Der Verbundkörper gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Matrix bezogen auf die Masse des Verbundkörpers nicht mehr als 20 Massen-% beträgt und daß die Korngröße des einge lagerten Keramikpulvers den Mikrometerbereich nicht übersteigt. Ausführungsformen mit guter Leitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit, die als Chip-Träger in der Elektronik bei besonders hohen Anforderungen oder auch als Heißleiter ein gesetzt werden können, sind Verbundkörper, bei denen die eingelagerte Komponente aus Siliciumcar bid oder Borcarbid besteht. Wie sich in Unterneh mungen gezeigt hat, sind derartige Verbundkorper auch als Wandmaterial für einen Fusionsreaktor geeignet.

Ausführungsbeispiel 1

Siliciumcarbid-Pulver der Hauptkorngröße 2,55 µm- 3,5 µm wurde nach dem in der DE-PS 20 40 252 be schriebenen Verfahren mit Phenolformaldehyd be schichtet.

100 g des mit 30 Massen-% Phenolformaldehydharz beschichteten Siliciumcarbid-Pulvers wurden in einen Formkasten (Grundfläche 70 mm×80 mm) gleich mäßig eingefüllt, ein Stempel aufgesetzt und dieser durch Auflegen von Gewichten so beschwert, daß ein Preßdruck von 1 bar (100 kPa) auf die Pulvermasse ausgeübt wurde. Der so vorbereitete Formkasten wurde dann in einen auf 130°C vorgewärmten Trocken schrank gestellt. Nach 2 Stunden wurde der Form kasten herausgenommen und nach dem Erkalten der gebildete Formkörper entnommen. Der auf diese Weise erhaltene Grünkörper wurde unter Inertgas durch Erhitzen auf 850°C verkokt und anschließend im Vakuun bis 1700°C erhitzt.

Der gebildete Formkörper wies folgende physikalische Eigenschaften auf:

Dichte:
1,57 g/cm³
Porosität:	47%
Luftdurchlässigkeit:	0,4 cm²/cm WS min
	(WS = Wassersäule)

Ausführungsbeispiel 2

300 g eines mit 25 Massen-% Phenolformaldehydharz beschichteten Borcarbid-Pulvers (Hauptkorngröße 1,0 µm-7,0 µm) wurden in einen Formkasten mit aufgesetztem Stempel auf 130°C erhitzt und an schließend mit einem Preßdruck von 16 bar (1,6 MPa) geformt, unter Inertgas durch Erhitzen auf 850°C verkokt und anschließend bis 1900°C unter einem Argonstrom erhitzt. Der gebildete Formkörper hatte eine Dichte von 1,28 g/cm³.

Ausführungsbeispiel 3

In 300 ml Ethylalkohol wurden 120 g Phenolformalde hydharz gelöst und die Lösung auf 60°C erwärmt. Sodann wurden 480 g SiC-Pulver (Hauptkorngröße 2,5 µm -3,5 µm) unter Rühren in die warme Harzlösung hineingegeben, wobei eine dickflüssige zähe Masse entstand.

Diese Masse wurde zunächst in einem Vakuumtrocken schrank bei 40°C getrocknet und anschließend nit einer Mühle pulverisiert. 200 g des so erhaltenen Pulvers wurden dann gemäß Ausführungsbeispiel 1 zu einem Formkörper verarbeitet, der nach der ther mischen Behandlung folgende Daten aufwies.

Dichte
1,65 g/cm³
Porosität:	44,7%
Luftdurchlässigkeit:	0,6 cm²/cm WS min.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus wenigstens zwei Komponenten, bei dem eine der Komponenten eine durchgängige Matrix aus Kohlen stoff bildet, in die als weitere Komponente Keramik in Pulverform eingelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsstoff für das Matrixmaterial kohlen stoffhaltiger Binder verwendet wird, der unter Hinzufügen eines Lösungsmittels mit den in die Matrix einzulagernden Pulverkörnern aus mit Kohlen stoff chemisch verträglichem Keramikmaterial ver mischt wird, wobei die Menge an Binder so bemessen ist, daß der Kohlenstoff im Endkörper einen Massen anteil von 20% nicht übersteigt, worauf die Mi schung unter leichtem Preßdruck und unter Erwärmen oberhalb der Erweichungstemperatur des Binders zu einem Grünkörper und der Grünkörper sodann durch Verkoken und weiteren Erhitzen unter lnertgas zu dem gewünschten Endkörper verarbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung vor der Verarbeitung zum Grün körper falls erforderlich zu einer fließfähigen Masse verarbeitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Binder eingesetzt wird, der nach dem Ver koken einen Koksrückstand von mindestens 40 Massen-% bezogen auf die Masse des eingesetzten Binders aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Rinder Phenolformaldehydharz verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der einzulagernden Komponente den Mikrometerbereich nicht übersteigt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als einzulagernde Komponente Pulver aus Silicium- oder Borcarbid vorgesehen ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Mischung aus Binder und einzulagernden Pulverkörnern das aus Pech, Teer oder Kunstharz bestehende Bindemittel in einem Lösemittel ganz oder zum Teil gelöst, in die Lösung die Pulverkörner eingegeben und die so gebildete Aufschlämmung sodann in eine andere Flüssigkeit, mit der das Lösemittel mischbar, in der das Binde mittel jedoch nicht oder nur schwer löslich ist, wie Wasser im Falle von Phenolformaldehyd, einge geben wird, worauf sich die mit Bindemittel über zogenen Pulverkörner als schlammige Masse absetzen und durch Dekantieren von der überstehenden Flüssig keit befreit und anschließend getrocknet werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Formgebung des Grünkörpers die Mischung nach der Trocknung in die für die Formgebung vor gesehene Form gebracht, anschließend den Dämpfen von Flüssigkeiten, in denen das Bindemittel ganz oder teilweise löslich ist, ausgesetzt und im Anschluß daran getrocknet wird.

9. Verbundkörper, bestehend aus wenigstens zwei Kom ponenten, bei dem die eine Komponente als durch gängige Matrix aus Kohlenstoff ausgebildet ist, in die als weitere Komponente (n) Keramik in Pulver form eingelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Matrix bezogen auf die Masse des Verbundkörpers nicht mehr als 20 Massen-% beträgt und daß die Korngröße des eingelagerten Keramikpulvers den Mikrometerbereich nicht über steigt.

10. Verbundkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerte Komponente aus Siliciumcarbid- Körnern und/oder Borcarbid-Körnern besteht.