Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-846
Main Title: Synthese und Charakterisierung von binären und ternären Verbindungen im System Metall-Silicium-Kohlenstoff
Author(s): Karyasa, I Wayan
Advisor(s): Lerch, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen Darstellung und Charakterisierung von neuartigen keramischen Verbindungen im System Metall-Silicium-Kohlenstoff (Metall = Co,Cr, Al, Ca, Mg und Ba). Die Darstellung erfolgte bei hohen Temperaturen aus den Edukten Metall, Silicium und Kohlenstoff (bzw. Siliciumcarbid) unter reduzierenden Bedingungen (Hochtemperatursynthese). Die Reaktionsprodukte wurden mittels Röntgenbeugung und Elektronenmikroskopie charakterisiert. Bei der Charakterisierung lag der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der Pulverbeugung mit anschließender Rietveld-Verfeinerung der aus kommerziellen Laborgeräten (Cu Ka1-Strahlung) und Synchrotron-Messungen am Hasylab(DESY, Hamburg) erhaltenen Beugungsdiagramme. Ausgehend vom Siliciumcarbid wurde ein neues Verfahren zur Darstellung von b-SiCPulver aus Silicium-reichen nachwachsenden Rohstoffen (z. B. Reishülsen und Bambusstamm)untersucht. So konnten b-SiC-Pulver aus carbonisierten Reishülsen und Bambusstamm durch vierstündige Reaktion im Vakuum bei 1500°C dargestellt werden. Durch Ca- sowie Mg-Dotierungen von b-SiC wurde nach Sintern (1950°C; 2 h; Vakuum) die Bildung von a-SiC beobachtet. Untersuchungen im System Co-Si-C (Temperaturbereich: 1200-1800°C) führen zu keiner ternären Verbindung. Hingegen konnte bei einer Reaktionstemperatur von 1400°C eine neue Modifikation von CoSi neben b-SiC und Kohlenstoff dargestellt werden. Die Strukturaufklärung durch Cu Ka1- und Synchrotronröntgenstrahlung ergab eine kubische Modifikation im CsCl-Typ mit der Raumgruppe Pm-3m und dem Gitterparameter a = 281,62(2) pm. Eine Härteprüfung nach Vickers zeigt, dass die CoSi(CsCl-Typ)-Modifikation im Vergleich zur umgehenden SiC/C-Matrix eine deutlich geringere Härte aufweist, die der Härte von intermetallischen Verbindungen vergleichbar ist. Bandstrukturrechnungen liefern einen Wert von 0,8 eV für die Bandlücke, der typisch für einen Halbleiter ist und zwischen Silicium (1,1 eV) und Germanium (0,72 eV) liegt. Untersuchungen im System Cr-Si-C (Temperaturen:1000-1800°C) zeigen, dass vielphasige Reaktionsprodukte entstehen, die eine ternäre Verbindung CrxSiyCz neben Cr3C2,Cr3Si, und SiC erhalten. Bei einer Umsetzung der Edukte im Verhältnis Cr:Si:b-SiC = 5:2:1(1200°C, 40 h; Vakuum) entsteht ein zweiphasiges Sinterprodukt mit ~92 Masse-% der ternären Verbindung Cr5Si2,3C0,3 und ~8 Masse-% b-SiC. Die ternäre Verbindung kristallisiert hexagonal(Raumgruppe: P63/mcm (Nr. 193); Gitterparameter a = 698,45(2) pm, c = 474,07(1) pm und ist isostrukturell zu der Verbindung Mo4,8Si3C0,6. Keramisches Komposit-Material auf Basis von Al-Si-C ist aufgrund einer Vielzahl von ausgezeichneten Materialeigenschaften heute bereits von großem technischem Interesse. Bislang verhindert allerdings die häufig auftretende Bildung von hydrolyseempfindlichem Aluminiumcarbid Al4C3 eine breitere technische Anwendung. Aus diesem Grund lag es nahe die Darstellung der Al4SiC4/SiC-Matrix zu optimieren. Es konnte gezeigt werden, dass bei der Reaktion von elementarem Aluminium, Siliciumcarbid und Kohlenstoff bei einer Temperatur von 1450°C über acht Stunden im Vakuum die Bildung von Al4C3 unterdrückt wird und einzig die gewünschte Al4SiC4/SiC-Matrix entsteht.
Main focusses of the present work are the preparation and characterization of some new ceramic compounds in the metal-silicon-carbon system (metals: Co, Cr, Al, Ca, Mg and Ba). The preparation was conducted using metals, silicon and carbon (as well as silicon carbide) at high temperatures under reducing conditions (high temperature synthesis). The reaction products were characterized by X-ray diffraction and electron microscopy. The characterization was emphasized by powder diffraction followed by a Rietveld refinement. The diffraction data were received from commercial laboratory instruments (Cu Ka1 radiation) and synchrotron measurements at the Hasylab (DESY, Hamburg). Outgoing from the silicon carbide a new procedure for directly synthesizing of b-SiC powder from high silicon content of regenerating raw materials (e.g. rice husks and bamboo trunk) was investigated. b-SiC powders from carbonized rice husks and bamboo trunk could be synthesized by a four hour reaction at 1500°C under vacuum. Through doping b-SiC with magnesium as well as calcium the formation of a-SiC was observed after sintering (1950°C; 2 h; vacuum). Investigations in the system Co-Si-C (temperature range: 1200-1800°C) lead to no ternary compound. However a new modification of CoSi could be produced beside b-SiC and carbon at the reaction temperature of 1400°C. The structure clarification by using X-ray diffraction with Cu Ka1 as well as synchrotron beam resulted that the compound crystallizes in a cubic system (CsCl type) with the space group Pm-3m and the lattice parameter a = 281.62(2)pm. A hardness test by the Vickers method showed that the CoSi(CsCl type) modification in the comparison to the SiC/C matrix exhibits a clearly less hardness, which is comparable to the hardness of intermetallic compounds. Band structure calculations supplied a value of band gap ~ 0.8 eV, which is typical for a semiconductor and it lies between the band gap of silicon (1.1 eV) and germanium (0.72 eV) . Investigations in the system Cr-Si-C (temperature range:1000-1800°C) showed that multiphase reaction products which consist of a ternary compound CrxSiyCz beside Cr3C2, Cr3Si,and SiC were developed. By reacting the starting materials with a molar ratio Cr:Si:b SiC = 5:2:1 (1200°C, 40 h; vacuum), a two phase sinter product consisting of the ternary compound Cr5Si2.3C0.3 (~92 mass-% ) and b-SiC (~8 mass-%) was obtained. The ternary compound crystallizes hexagonally (space group: P63/mcm (no. 193); lattice parameter a = 698.45(2) pm, c = 474.07(1) pm and it is isostructural to the compound Mo4.8Si3C0.6. Currently, Al-Si-C based ceramic composite materials are technically of big interests due to their multiple excellent material properties. So far, however, a broader technical use was limited by the frequently presence of the hydrolysis sensitive aluminum carbide Al4C3. For that reason it needs to optimize the preparation method in order to produced an Al4SiC4/SiC matrix without Al4C3. It could be shown that the formation of Al4C3 was supperessed through the eight hour reaction of elementary aluminum, silicon carbide and carbon at a temperature of 1450°C under vacuum and only the desired Al4SiC4/SiC matrix was developed.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-7476
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1143
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-846
Exam Date: 5-Nov-2004
Issue Date: 22-Nov-2004
Date Available: 22-Nov-2004
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Hochtemperatursynthese
System Metall-Silicium-Kohlenstoff
Ternäres Verbindung
High temperature synthesis
Metal-silicon-carbon system
Ternary compound
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