Композиционные материалы, содержащие карбид кремния, и способы их получения

Композиционные материалы, содержащие карбид кремния, и способы их получения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, СОДЕРЖАЩИЕ КАРБИД КРЕМНИЯ, И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение относится к усовершенствованным композиционным материалам и способам инфильтрации расплавов для их получения. В частности, настоящее изобретение относится к композиционным материалам, содержащим карбид кремния, в которых предпочтительно, по меньшей мере, часть карбида кремния получена путем реактивной инфильтрации.

Предшествующий уровень техники

На протяжении более чем тридцати пяти лет композиционные материалы, содержащие карбид кремния, получали способами реактивной инфильтрации. В общем случае, такой процесс реактивной инфильтрации предусматривает контактирование расплавленного кремния с пористой массой, содержащей карбид кремния плюс углерод, в вакууме или окружающей среде инертной атмосферы. Создается состояние смачивания, в результате чего расплавленный кремний втягивается за счет капиллярного воздействия в массу, где он вступает в реакцию с углеродом, образуя дополнительный карбид кремния. Этот образованный на месте карбид кремния, как правило, является взаимосвязанным. Обычно желателен плотный материал, поэтому процесс, как правило, протекает в присутствии избыточного кремния. Получаемый таким образом композиционный материал содержит карбид кремния и непрореагировавший кремний (который также является взаимосвязанным), и в сокращенной записи это можно обозначить как Si/SiC. Процесс, используемый для получения таких композиционных материалов, имеет взаимозаменяемые названия "реакционное формование", "реакционное связывание" или "реактивная инфильтрация".

В одном из самых ранних вариантов осуществления этой технологии Поппер (Popper) (патент США №3275722) получил материал, содержащий самосвязанный карбид кремния, путем инфильтрации кремния в пористую массу макрочастиц карбида кремния и порошкообразного графита в вакууме при температуре, находившейся в диапазоне 1800-2300 °С.

Тейлор (Taylor) (патент США №3205043) также получил плотные материалы, содержащие карбид кремния, путем реактивной инфильтрации кремния в пористый материал, содержащий карбид кремния и свободный углерод. В отличие от Поппера Тейлор сначала получал брикет, состоящий, по существу, из гранулированного карбида кремния, а затем он вводил регулируемое количество углерода в сформованную массу. В одном конкретном варианте осуществления своего изобретения Тейлор добавлял углерод в виде карбонизируемой смолы, а затем нагревал массу, содержащую карбид кремния и инфильтрованную смолу, для разложения (карбонизации) смолы. Сформованную массу затем нагревали до температуры, по меньшей мере, 2000°С в присутствии кремния, чтобы вызвать проникновение кремния в поры сформованной массы и его реакцию с вводимым углеродом для образования карбида кремния.

Хиллинг (Hilling) и его коллеги в "Дженерал Электрик Компани" воспользовались другим подходом, при котором волокнистые разновидности композиционных материалов, содержащих Si/SiC, получали путем реактивной инфильтрации брикетов из угольных волокон.

Не так давно Чианг (Chiang) и др. (патент США №5509555) описали получение композиционных материалов, содержащих Si/SiC, посредством использования инфильтранта в виде сплава кремния. Брикет, в который инфильтруют этот сплав, может содержать углерод или может состоять, по существу, из углерода в сочетании, по меньшей мере, с одним другим материалом, таким как металл, подобный Мо, W или Nb, карбид, подобный SiC, TiC или ZrC, нитрид, подобный Si₃N₄, TiN или AlN, оксид, подобный ZrO₂ или Аl₂O₃, или интерметаллическое соединение, подобное MoSi₂ или WSi₂, или их смеси. Жидкий инфильтрант включает в себя кремний и металл, такой как алюминий, медь, цинк, никель, кобальт, железо, марганец, хром, титан, серебро, золото, платина и их смеси.

В предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения Чианга и др. брикет может быть брикетом из пористого угля, сплав жидкого инфильтранта может быть сплавом кремния и алюминия, имеющим содержание кремния в диапазоне от примерно 90 ат.% до примерно 40 ат.% и содержание алюминия в диапазоне от примерно 10 ат.% до примерно 60 ат.%, при этом обеспечивается возможность контактирования брикета со сплавом кремния и алюминия при температуре в диапазоне от примерно 900°С до примерно 1800°С в течение достаточного времени, на протяжении которого прореагирует, по меньшей мере, часть пористого угля, образуя карбид кремния. После охлаждения полученный таким образом плотный композиционный материал можно охарактеризовать как имеющий фазовый состав, содержащий карбид кремния и, по меньшей мере, одну фазу, такую как сплав кремния и алюминия, смесь кремния и алюминия, по существу чистый алюминий, или их смеси.

Одна проблема, связанная с инфильтрацией многокомпонентных жидкостей в брикеты, содержащие большие относительные количества углерода, заключается в том, что химический состав инфильтранта может резко изменяться в течение инфильтрации, а также от одного места к другому в пределах брикета. Эту особенность демонстрирует таблица 3 из патента Чианга и др. В ней указано, что инфильтрант в начале содержал 54 ат.% Si и 46 ат.% Сu, но после инфильтрации в угольный брикет содержание Сu составляло, по существу, 100%. Такие резкие изменения состава могут затруднить обработку; в той же таблице выявлено, что когда сплав инфильтранта в начале содержал примерно 30 ат.% Si и 70 ат.% Сu, для достижения инфильтрации было необходимо давление. Инфильтрации под давлением требуют значительно более сложного и дорогого оборудования, чем способы инфильтрации без давления, и обычно накладывают более серьезные ограничения на размеры и форму деталей, которые можно получать этими способами. Таким образом, хотя настоящее изобретение и не сводится к системам без давления, во всех случаях, когда не указано иное, инфильтрации согласно настоящему изобретению относятся к инфильтрациям, не требующим приложения давления.

Чианг и др. заявляют, что предложенный ими способ обеспечивает получение композиционных материалов с приданием им форм, которые очень близки к формам готовых изделий, без необходимости дополнительных этапов обработки. Они описывают ряд приемов получения таких материалов без машинной обработки для удаления остаточного, непрореагировавшего жидкого сплава инфильтранта, остающегося на поверхности прореагировавшего брикета. В частности, Чианг и др. заявляют, что после инфильтрации композиционный материал можно нагревать до температуры, достаточной для испарения или улетучивания избыточного жидкого сплава на поверхности. В альтернативном варианте, прореагировавший брикет можно погружать в травитель, в котором избыточный непрореагировавший жидкий инфильтрант растворяется, а прореагировавший брикет остается. Кроме того, прореагировавший брикет можно вводить в контакт с порошком такого элемента, как углерод или металл, подобный Ti, Zr, Mo или W, который вступает в химическую реакцию с непрореагировавшим жидким сплавом инфильтранта.

В патенте США №5205970, Милливой Брюн (Millivoj Brun) и др. также описывали удаление избыточного инфильтранта после получения материалов, содержащих карбид кремния, с помощью процесса инфильтрации. В частности, Брюн и др. вводили реакционно сформованный материал в контакт со "средством впитывания" инфильтранта, таким как угольный войлок. Более конкретно, средство впитывания может содержать пористые массы смачиваемых инфильтрантом материалов, которые являются сплошными при температуре, по меньшей мере, такой же, как температура, при которой инфильтрант плавится, или большей, чем такая температура. Средство впитывания предпочтительно имеет капилляры, которые имеют размеры, по меньшей мере, такие же, как размеры капилляров в реакционно сформованном материале, или превышающие эти размеры. Таким образом, инфильтрант в реакционно сформованном материале, который заполняет поры, остается в этом реакционно сформованном материале, а не втягивается в средство впитывания и не покидает поры в реакционно сформированном материале.

Предложенное Брюном и др. решение проблеме удаления избыточного сцепленного кремния с помощью "средства впитывания" возможно и является эффективным, но все же требует дополнительных этапов обработки, предусматривающих контактирование образовавшегося композиционного материала со средством впитывания и повторный нагрев до температуры, превышающей температуру ликвидуса. В этом случае необходимо средство исключения или, по меньшей мере, минимизации объема остаточного инфильтранта, сцепленного с образовавшимся композиционным материалом, содержащим карбид кремния.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы получить композиционный материал, содержащий карбид кремния, с приданием ему формы, близкой к форме готового изделия, минимизируя тем самым объем шлифования и/или иной обработки на станке, необходимой для достижения требуемых размеров готового изделия.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы получить композиционный материал, содержащий карбид кремния, с повышенной ударной вязкостью.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы получить композиционный материал, содержащий карбид кремния, с повышенной теплопроводностью.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы получить композиционный материал, содержащий карбид кремния, коэффициент теплового расширения которого превышает коэффициент теплового расширения карбида кремния и может быть задан.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы получить композиционный материал, содержащий карбид кремния, при температурах, которые превышают, но лишь умеренно превышают, температуру ликвидуса материала инфильтранта, несущего кремний.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы получить композиционный материал, содержащий карбид кремния, при температуре, которая существенно меньше, чем температура плавления чистого кремния.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы получить композиционный материал, содержащий карбид кремния, не прибегая к использованию борсодержащих барьерных материалов или дорогостоящих технологических форм для регулирования степени инфильтрации.

Сущность изобретения

Решение этих задач и реализация других преимуществ настоящего изобретения осуществляется посредством тщательного регулирования ряда рабочих условий, применяемых при получении композиционных материалов путем реактивной инфильтрации. В контексте настоящего изобретения наиболее важным из этих условий обработки является химический состав инфильтранта. В частности согласно настоящему изобретению материал инфильтранта содержит, по меньшей мере, два компонента, а, по меньшей мере, один из компонентов представляет собой кремний.

Замечено, что кремний подвержен чистому объемному расширению примерно на 9 процентов при затвердевании. Таким образом, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения путем сплавления кремния с материалом, который подвергается чистой объемной усадке при затвердевании, можно получить композиционный материал, содержащий карбид кремния, имеющий остаточный компонент инфильтранта, который, по существу, не подвержен чистому объемному изменению при затвердевании. Таким образом, можно реализовать композиционные материалы, содержащие карбид кремния, которые не характеризуются ни пористостью при затвердевании, ни миграцией на поверхность при затвердевании.

Для улучшения инфильтрации в проницаемую массу часто добавляют углерод. (Если не отмечено иное, то начиная с этого места будет подразумеваться, что термин "проницаемая масса" включает в себя термин "брикет".) Вместе с тем, одним вариантом такого сплавления является изменение, которое имеет место в химическом составе инфильтранта по мере его инфильтрации в проницаемую массу и реакции кремниевого компонента сплава инфильтранта с содержащимся в нем углеродом для получения карбида кремния. Поэтому авторы данного изобретения обнаружили значимость и важность поддержания содержания углерода в проницаемой массе, в которую нужно осуществить инфильтрацию на как можно более низких уровнях. Количество свободного углерода в проницаемой массе поддерживают как можно более низким для осуществления полной инфильтрации надежным образом, но без необязательного ухудшения качеств углерода как связующего при использовании брикетов (т.е. самоопирающихся проницаемых масс). Таким образом, можно осуществлять инфильтрацию в крупные тела с минимальными изменениями в составе сплава инфильтранта, что позволяет получить композиционный материал, содержащий карбид кремния, имеющий диспергированную фазу сплава относительно однородного состава по всему материалу.

Использование многокомпонентного состава инфильтранта имеет дополнительные преимущества, помимо обеспечения возможности получения композиционных материалов, компонент сплава которых имеет нулевое или почти нулевое объемное изменение (набухание или усадку) при затвердевании.

В качестве примера и еще одного аспекта настоящего изобретения отметим, что сплавление инфильтранта, содержащего кремний, с одним или несколькими другими элементарными компонентами может значительно снизить температуру плавления инфильтранта. В этой связи нужно отметить, что в число желательных элементов сплава входят алюминий, бериллий, медь, кобальт, железо, марганец, никель, олово, цинк, серебро и золото. Пониженные температуры плавления или ликвидуса позволяют проводить инфильтрацию при пониженных температурах. Например, когда инфильтрант содержит сплав кремния и алюминия, можно осуществлять инфильтрацию пористой массы, содержащей некоторое количество элементарного углерода, при температуре, находящейся в диапазоне от примерно 1100 до примерно 1300°С. Для сравнения отметим, что когда инфильтрант состоит, по существу, из кремния, нужно поддерживать температуру, которая, по меньшей мере, выше температуры плавления кремния, составляющей 1412°С, а зачастую - значительно выше этой температуры плавления, так что расплав является, по существу, текучей средой. Одним из наиболее важных последствий возможности работать при пониженных температурах является открытие того, что при пониженных температурах инфильтрация надежнее заканчивается на границах проницаемой массы. Кроме того, вместо необходимости использовать дорогостоящие графитовые технологические формы для поддержки проницаемой массы и для заключения в них жидкого инфильтранта можно использовать более дешевые материалы, такие как рыхлая масса керамического вещества в виде макрочастиц. Таким образом, возможность проводить инфильтрации при пониженных температурах обеспечивает операторам возможность лучшего регулирования процесса, не говоря уже об экономии времени и энергии.

Следовательно, одним из аспектов настоящего изобретения является способ получения композиционного материала, содержащего карбид кремния, заключающийся в том, что

обеспечивают проницаемую массу, содержащую, по меньшей мере, один материал наполнителя и не более чем примерно 10 массовых процентов углерода, облегчающего инфильтрацию, причем указанный материал наполнителя представлен, по меньшей мере, в одной форме, выбранной из группы, состоящей из частиц, пластинок, хлопьев и полых сфер, а указанная проницаемая масса имеет объемную плотность, по меньшей мере, 61% от теоретической;

обеспечивают опирание, по меньшей мере, одной поверхности упомянутой проницаемой массы на материал подстилающего слоя, содержащий карбид кремния и не содержащий свободный углерод;

обеспечивают материал инфильтрата, содержащий кремний и, по меньшей мере, один металл или полуметалл, отличный от кремния;

нагревают упомянутый материал инфильтрата до температуры, превышающей температуру ликвидуса упомянутого материала инфильтрата и не превышающей температуру примерно 1400°С, для образования расплавленного материала инфильтрата;

вводят упомянутый расплавленный материал инфильтрата в контакт с упомянутой проницаемой массой;

осуществляют инфильтрацию упомянутого расплавленного материала инфильтрата в упомянутую проницаемую массу и обеспечивают реакцию, по меньшей мере, части упомянутого кремния, по меньшей мере, с частью упомянутого углерода для образования композиционного материала, содержащего карбид кремния, упомянутый, по меньшей мере, один материал наполнителя и остаточный материал инфильтрата, содержащий кремний и, по меньшей мере, один металл или полуметалл, отличный от кремния, причем упомянутый остаточный материал инфильтрата имеет химический состав, который испытывает объемное изменение при затвердевании, не превышающее примерно +7 объемных процентов.

Предпочтительно, упомянутая выше проницаемая масса представляет собой брикет, а упомянутый материал наполнителя содержит тела, размер которых находится в диапазоне от субмикронного до составляющего несколько миллиметров. Причем в способе используют упомянутый углерод в форме покрытия, по меньшей мере, на части материала наполнителя.

В способе по настоящему изобретению образуют упомянутый углерод путем введения смолы на основе сахара в проницаемую массу и термического разложения этой смолы в неокислительной атмосфере.

Металл представляет собой предпочтительно, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из Аl, Сu, Sn, Zn.

Другим аспектом настоящего изобретения является то, что в способе дополнительно обеспечивают опирание, по меньшей мере, одной поверхности упомянутой проницаемой массы на материал подстилающего слоя, который является, по существу, неинфильтруемым в рабочих условиях, и продолжают упомянутую инфильтрацию расплавленного материала инфильтрата в упомянутую проницаемую массу до тех пор, пока упомянутый расплавленный материал инфильтрата внутри упомянутой проницаемой массы контактирует с упомянутым материалом подстилающего слоя, причем упомянутый материал подстилающего слоя препятствует дальнейшей инфильтрации упомянутого инфильтрата в упомянутый материал подстилающего слоя, определяя таким образом степень упомянутой инфильтрации.

Температура нагрева материала инфильтрата составляет, по меньшей мере, примерно 800°С, а инфильтрацию осуществляют в неокислительной окружающей среде, предпочтительно в вакууме.

В способе по изобретению остаточный материал инфильтрата испытывает объемное изменение при затвердевании, находящееся в диапазоне от примерно -2 до примерно +4 процентов, и содержит, по меньшей мере, примерно 10 объемных процентов упомянутого кремния.

По меньшей мере, один материал наполнителя содержит вещество, выбранное из группы, состоящей из карбидов, боридов, нитридов и оксидов, предпочтительно, по меньшей мере, один материал наполнителя содержит карбид, выбранный из группы, состоящей из SiC, B₄С, TiC и WC.

В способе по изобретению проницаемая масса содержит не более чем примерно 5 массовых процентов упомянутого углерода, облегчающего инфильтрацию, а материал подстилающего слоя представляет собой SiC.

В еще одном аспекте воплощения изобретения касается способа получения композиционного материала, содержащего карбид кремния, заключающегося в том, что обеспечивают проницаемую массу, содержащую, по меньшей мере, около, 1 мас.% свободного углерода;

обеспечивают опирание, по меньшей мере, одной поверхности упомянутой проницаемой массы на материал подстилающего слоя, содержащий карбид кремния, и не содержащий свободный углерод;

обеспечивают мультикомпонентный материал инфильтрата, содержащий кремний, и, по меньшей мере, один не кремниевый компонент;

нагревают упомянутый материал инфильтрата до температуры, превышающей температуру ликвидуса упомянутого материала инфильтрата, для образования расплавленного материала инфильтрата;

вводят упомянутый расплавленный материал инфильтрата в контакт с упомянутой проницаемой массой;

осуществляют инфильтрацию упомянутого расплавленного материала инфильтрата в упомянутую проницаемую массу и взаимодействие, по меньшей мере, части указанного кремния с, по меньшей мере, частью указанного свободного углерода указанной проницаемой массы для образования композиционного материала, содержащего, по меньшей мере, некоторое количество карбида кремния, полученного in-situ,

и продолжают упомянутую инфильтрацию до тех пор, пока упомянутый расплавленный материал инфильтрата контактирует с упомянутым материалом подстилающего слоя, причем упомянутый материал подстилающего слоя препятствует инфильтрации в упомянутый материал подстилающего слоя, определяя, таким образом, степень упомянутой инфильтрации.

Изобретение по этому воплощению, в частности, характеризуется тем, что проницаемая масса содержит, по меньшей мере, один материал наполнителя, а материал инфильтрата содержит кремний и алюминий.

Инфильтрацию по этому аспекту изобретения предпочтительно осуществляют при температуре, находящейся в диапазоне от примерно 800°С до примерно 1800°С, а инфильтрат содержит, по меньшей мере, примерно 10 массовых процентов упомянутого кремния. Материал подстилающего слоя может представлять собой рыхлую массу керамического вещества в виде частиц.

В другом аспекте воплощения настоящее изобретение касается композиционного материала, содержащего основную фазу, содержащую карбид кремния во взаимосвязанной форме; остаточный материал инфильтрующего сплава, распределенный по всей упомянутой основной фазе, причем упомянутый остаточный материал инфильтрующего сплава содержит кремний и, по меньшей мере, один иной компонент, при этом упомянутый остаточный материал инфильтрующего сплава обладает свойством изменения размеров при затвердевании на величину, которая не превышает примерно +7 объемных процентов, причем указанный материал инфильтрующего сплава имеет температуру ликвидуса не более чем примерно 1412°С; и по меньшей мере, 59 объемных процентов, по меньшей мере, одного материала наполнителя распределены по всей упомянутой основной фазе, причем упомянутый материал наполнителя представлен в основном, по меньшей мере, в одной форме, выбранной из группы, состоящей из частиц, пластинок, хлопьев и полых сфер, причем указанный композиционный материал получен способом, включающим: обеспечение проницаемой массы, содержащей, по меньшей мере, один материал наполнителя и не более чем примерно 10 массовых процентов углерода, облегчающего инфильтрацию, причем указанный материал наполнителя и указанный углерод составляют, по меньшей мере, 61 объемный процент указанного брикета; обеспечение материала инфильтрата, содержащего кремний и, по меньшей мере, один металл или полуметалл, отличный от кремния, нагревание упомянутого материала инфильтрата до температуры, превышающей температуру ликвидуса упомянутого материала инфильтрата и не превышающей температуру примерно 1400°С, для образования расплавленного материала инфильтрата; введение упомянутого расплавленного материала инфильтрата в контакт с упомянутой проницаемой массой; инфильтрацию упомянутого расплавленного материала инфильтрата в упомянутую проницаемую массу и обеспечение взаимодействия, по меньшей мере, части упомянутого кремния, по меньшей мере, с частью упомянутого углерода для образования композиционного материала; и охлаждение до затвердевания указанного остаточного материала инфильтрата.

Предпочтительно в композиционном материале по изобретению сплав подвержен объемному изменению размеров при затвердевании, находящемуся в диапазоне от примерно -1 процента до примерно +3 процентов.

Указанный сплав содержит от примерно 40 массовых процентов до примерно 60 массовых процентов упомянутого кремния, а, по меньшей мере, один материал наполнителя в частности представляет собой SiC.

Упомянутый сплав содержит, по меньшей мере, 10 объемных процентов, по меньшей мере, одного металла, выбранного из группы, состоящей из алюминия, цинка, олова и меди.

Еще в одном аспекте воплощения изобретение касается производственного изделия, полученного по способу, раскрытому в описании, выбранного из группы, состоящей из составной части устройства для манипуляций с полупроводниковыми пластинами, опорной стойки воздушного подшипника, подложки зеркала, ступени зеркала, держателя полупроводниковых пластин, портала станка, станины станка и подставки для дисплея с плоским экраном, содержащее

матричную фазу, содержащую карбид кремния и сплав, распределенный по всему упомянутому карбиду кремния, причем упомянутый сплав содержит кремний и, по меньшей мере, 10 объемных процентов, по меньшей мере, одного металла, выбранного из группы, состоящей из алюминия, цинка и меди,

и материал наполнителя, содержащий, по меньшей мере, 59 объемных процентов, по меньше мере одного материала наполнителя, распределенного по всей упомянутой матрице.

Причем, по меньшей мере, один материал наполнителя имеет морфологию, выбранную из группы, состоящей из частиц, волокон, пластинок, хлопьев и сетчатых структур.

Изделие по изобретению характеризуется тем, что композиционный материал содержит от примерно 10 объемных процентов до примерно 90 объемных процентов упомянутого наполнителя.

Сплав, содержащийся в изделии, характеризуется объемным изменением при затвердевании в диапазоне от примерно -5 процентов до примерно +7 процентов.

В изделии по изобретению карбид кремния, по меньшей мере, частично взаимосвязан.

Карбид кремния может быть получен с помощью процесса реактивной инфильтрации, а остаточный компонент инфильтрата содержит, по меньшей мере, 40 массовых процентов упомянутого кремния.

В другом аспекте изобретения касается производственного изделия, полученного по способу, охарактеризованному в описании, выбранного из группы, состоящей из упаковочной тары для электронных приборов и подложки для электронных приборов, содержащее композиционный материал, содержащий матричную фазу, содержащую карбид кремния и сплав, распределенный по всему упомянутому карбиду кремния, причем упомянутый сплав содержит, по меньшей мере, 40% по массе кремния и, по меньшей мере, 10 объемных процентов, по меньшей мере, одного металла, выбранного из группы, состоящей из алюминия, цинка и меди; и материал наполнителя, содержащий, по меньшей мере, 59 объемных процентов, по меньше мере одного материала наполнителя, распределенного по всей упомянутой матрице.

Краткое описание чертежей

На фиг.1А и 1В представлены условные виды сбоку и сверху соответственно совокупности материалов, используемых для получения композиционного материала, содержащего карбид кремния, в виде "U-образного канала" в соответствии с Примером 4, и

на фиг.2 представлена фотография опорной стойки воздушного подшипника из композиционного материала, содержащего карбид кремния и полученного в соответствии с Примером 6.

Наилучшие варианты осуществления изобретения

В соответствии со способами согласно настоящему изобретению осуществляют инфильтрацию проницаемой массы, содержащей, по меньшей мере, некоторое количество углерода, расплавленным многокомпонентным сплавом, содержащим кремний.

По меньшей мере, в некоторый момент во время инфильтрации кремниевый компонент сплава инфильтранта химически реагирует, по меньшей мере, с частью проницаемой массы, образуя карбид кремния. Хотя некоторые модификации состава возможны, как правило, часть материала сплава остается в инфильтрованном материале и распределена по нему. Поэтому сформированный таким образом материал, содержащий полученный на месте карбид кремния и остаточный сплав, является композиционным материалом.

Если начальное количество кремниевого сплава недостаточно для заполнения пустот проницаемой массы, то, по меньшей мере, часть остаточного, непрореагировавшего сплава в материале может быть распределена в виде дискретных изолированных карманов. Обычно избыток материала инфильтранта подается в проницаемую массу, и остаточный сплав в композиционном материале взаимосвязывается.

Настоящее изобретение охватывает варианты размещения одного, нескольких или всех компонентов многокомпонентного инфильтранта в пределах проницаемой массы, в которую нужно осуществить инфильтрацию, или на поверхности раздела между этой массой и соседним материалом инфильтранта. Все же предпочтительным является наличие компонентов инфильтранта в виде сплава, возможно - в форме слитка или иной объемной форме, а затем этот сплав вводят в контакт с проницаемой массой, в которую нужно осуществить инфильтрацию. Материал инфильтранта можно вводить в непосредственный контакт с проницаемой массой, в которую нужно осуществить инфильтрацию, или можно оставлять этот материал инфильтранта, по существу, изолированным от проницаемой массы, располагая при этом средство впитывания между ними обоими, чтобы создать путь или канал для миграции расплавленного материала инфильтранта в направлении к проницаемой массе и внутрь нее. Средство впитывания может быть большей частью любым материалом, который смачивается расплавленным материалом инфильтранта, но при этом предпочтителен карбид кремния.

Настоящее изобретение предусматривает получение карбида кремния на месте. Поэтому, по меньшей мере, один компонент многокомпонентного материала инфильтранта представляет собой кремний. Другой компонент или другие компоненты могут быть любыми, обеспечивающими возможность получения некоторого желательного воздействия, оказываемого во время обработки или уже на окончательный характер или свойства получаемого композиционного материала. Например, некремниевый компонент или компоненты могут обеспечить получение сплава, имеющего температуру ликвидуса меньше температуры плавления чистого кремния. Тогда уменьшенная температура ликвидуса может обеспечить проведение инфильтрации при пониженной температуре, приводя таким образом к экономии энергии и времени, а также к уменьшению склонности инфильтранта к чрезмерной инфильтрации через границы брикета или проницаемой массы в материалы опорного слоя. Некремниевый компонент, инфильтрованный в проницаемую массу вместе с реактивным кремниевым компонентом, может обеспечивать превосходные свойства получаемого композиционного материала, например - повышенную прочность или ударную вязкость. Инфильтрованный таким образом некремниевый компонент может также противодействовать расширению кремниевой фазы при затвердевании, что является результатом, желательным со многих точек зрения и подробнее рассмотренным ниже. Элементарные некремниевые компоненты, которые выполняют одну или несколько преимущественных функций, включают в себя алюминий, бериллий, медь, кобальт, железо, марганец, никель, олово, цинк, серебро, золото, бор, магний, кальций, барий, стронций, германий, свинец, титан, ванадий, молибден, хром, иттрий и цирконий. Предпочтительные компоненты включают в себя алюминий, медь, железо, никель, кобальт и титан. Конкретно предпочтительными являются алюминий и медь.

Одним таким элементом сплава, который идентифицирован как выполняющий все три желательные функции, является алюминий. Авторы настоящего изобретения наблюдали, что композиционный материал, содержащий карбид кремния, а также содержащий некоторую фазу алюминия, является значительно более вязким, чем композиционный материал, содержащий карбид кремния, а также содержащий остаточный, непрореагировавший кремний. И кроме этого, авторы настоящего изобретения обнаружили, что когда остаточный компонент инфильтранта композиционного материала содержит примерно 40-60 массовых процентов кремния и 60-40 массовых процентов алюминия, объемное изменение остаточной фазы инфильтранта практически равно нулю. В конкретном предпочтительном варианте осуществления брикет, содержащий вещество в виде макрочастиц карбида кремния и примерно от одного до нескольких массовых процентов углерода, можно легко инфильтровать в вакууме примерно при 1100°С сплавом инфильтранта, содержащим, грубо говоря, одинаковые массовые доли кремния и алюминия, для получения композиционного материала, содержащего карбид кремния плюс остаточный сплав, имеющий состав, в который входят примерно 40-45 массовых процентов кремния, а остальное составляет алюминий. Кроме того, авторы настоящего изобретения обнаружили, что при этой пониженной температуре инфильтрации примерно 1100°С рыхлую массу вещества в виде макрочастиц карбида кремния можно использовать для опирания проницаемой массы или брикета, в который нужно осуществить инфильтрацию, без инфильтрации самой этой рыхлой массы расплавленным инфильтрантом. Это открытие значительно упрощает работу нагревательной печи и исключает необходимость дорогостоящей графитовой оснастки и инструмента.

Вообще говоря, температура, при которой проводят инфильтрацию, является наинизшей, при которой инфильтрация проходит быстро и надежно. Кроме того, в общем случае, чем выше температура, тем робастнее (устойчивее, надёжнее) инфильтрация. Необоснованно высокие температуры инфильтрации не только не выгодны в смысле энергозатрат и избыточного нагрева, а также необходимого времени охлаждения, но и с большей вероятностью приводят к возможности прохождения нежелательных реакций. Ряд керамических материалов, которые обычно считаются инертными и неинфильтруемыми при умеренных температурах (например, оксид алюминия, нитрид бора, нитрид кремния), могут потерять свой инертный характер или стать инфильтруемыми кремнием при повышенных температурах (например, порядка 1500°С и выше), в частности - в вакууме. Таким образом, становятся весьма проблематичными заключение в какую-либо форму или опирание проницаемой массы, в которую нужно осуществить инфильтрацию, и минимизация степени избыточной инфильтрации в материал опорного слоя или реакции с этим материалом. Такая избыточная инфильтрация, как правило, приводит к связыванию избыточно инфильтрованного материала с массой, подвергшейся инфильтрации, что приводит к необходимости дорогостоящего шлифования или обработки алмазоносным инструментом на станках для удаления этого материала. Еще одна проблема, связанная с температурами необоснованно избыточной инфильтрации, заключается в том, что некремниевый компонент или компоненты имеют более высокое давление паров, чем кремниевый компонент, с тем нежелательным результатом, что такой компонент легко улетучивается из сплава инфильтранта, изменяя химический состав этого сплава и загрязняя печь.

Атмосфера, в которой проводят инфильтрацию кремнийсодержащего сплава, обычно является такой, которую называют инертной или слабовосстановительной. Поэтому можно использовать аргон, гелий, формовочный газ и монооксид углерода. Однако предпочтительной является окружающая среда вакуума, по меньшей мере - с точки зрения достижения надежности или робастности (устойчивости) инфильтрации.

Конечно, масса или брикет, в который нужно осуществить инфильтрацию кремнийсодержащего инфильтранта, должны быть проницаемыми для инфильтранта в локальных условиях обработки. При заданной достаточной температуре, например, около 2150°С, чистый карбид кремния можно инфильтровать кремнием, не прикладывая давление (см., например, патент США №3951587, выданный Аллиегро (Alliegro) и др.), но в более типичном случае проницаемая масса содержит некоторое количество элементарного или чистого углерода для облегчения процесса. Чем больше углерода присутствует, тем больше карбида кремния получается на месте. Хотя можно осуществлять реактивную инфильтрацию проницаемой массы, содержащей большие количества углерода, это в общем случае нежелательно в контексте настоящего изобретения, поскольку сплав инфильтранта будет претерпевать слишком значительные изменения от одной зоны в брикете до следующей. Большие изменения состава обычно нежелательны, по меньшей мере, по двум причинам. Во-первых, изменившийся состав сплава может быть таким, что он больше не смачивает проницаемую массу, в которую нужно осуществить инфильтрацию. Во