Entwicklung eines kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung präkeramischer Polymere für Si/B/N/C-Keramiken über Silazanspaltung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Keramische Materialien des Si/B/N/C-Systems zeigen im Vergleich zu den besten derzeit verfügbaren Hochtemperaturkeramiken eine herausragende mechanische und chemische Temperaturbeständigkeit, wenn bei ihrer Herstellung auf strikten Sauerstoffausschluss geachtet wird. Das konnte bisher nur in Laborsynthesen und für kleine Mustermengen erreicht werden. Ziel des zweistufigen Gemeinschaftsprojekts des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart (MPI) und des Instituts für Chemische Verfahrenstechnik der Universität Stuttgart (ICVT) ist die Entwicklung eines kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung präkeramischer Polymere für Si/B/N/C Keramiken mittels Silazanspaltung. Dabei sollen neue Konzepte für die Kopplung der einzelnen Reaktionsschritte erarbeitet und zu einem Gesamtverfahren verbunden werden, in dem die bisherige vielstufige, diskontinuierliche Herstellung deutlich vereinfacht und beschleunigt wird, aufgetretene Qualitätsschwankungen drastisch reduziert werden und ausreichende Mustermengen für die Entwicklung und Prüfung von Endprodukten aus diesen Keramiken bereitgestellt werden können. Der vorliegende Ergebnisbericht konzentriert sich auf die Synthese des Einkomponentenvorläufers Trichlorsilyl-amino-dichlorboran (TADB). Von diesem ausgehend kann mittels Aminolyse das präkeramische Polymer hergestellt und durch Pyrolyse in Si/B/N/C-Keramik umgewandelt werden (sog. Polymerroute). Diese Arbeiten sind für die Zukunft vorgesehen. TADB kann in einer 2-stufigen Synthese gewonnen werden. Dabei wird in der ersten Stufe aus Hexamethyldisilazan (HMDS) mit SiCl4 Trichlortrimethyldisilazan (TTDS) gebildet. Dieses reagiert in einer zweiten Stufe mit BCI3 zu TADB. Die umfangreichen experimentellen Untersuchungen zur ersten Reaktionsstufe zeigten, dass die TTDS-Synthese entgegen Literaturangaben nicht gleichgewichtskontrolliert ablauft. Damit konnte die zunächst untersuchte Gas-Flüssigphasen Synthese durch eine reine Flussigphasensynthese von TTDS bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck ersetzt werden. Neben der einfacheren Reaktionsführung besitzt diese Reaktionsführung den Vorteil, dass keine Nebenprodukte in Form von Feststoff anfallen. Auch für die zweite Reaktionsstufe konnte die zunächst vorgesehene Gas-Flüssigphasensynthese durch eine Synthese in homogener Phase, in diesem Fall in der Gasphase, ersetzt werden. Der dabei auftretende Nebenproduktanfall in Form von Feststoff konnte dadurch verhindert werden, dass dem Reaktionsgemisch der Dampf eines (inerten) Lösungsmittels zugesetzt wurde. Mit Kondensation des Lösungsmittels wird der gebildete Feststoff in gelöster Form ausgetragen. Auf diese Weise konnte eine durchgängige Syntheseroute erarbeitet werden, in der TADB ohne feststoffbedingte Verstopfungsgefahr kontinuierlich hergestellt werden kann. Dieses Konzept soll bei erhöhtem Reaktionsdruck im Miniplantmaßstab realisiert und optimiert, sowie um die Polymersynthese ergänzt werden.
