Thermische Entwicklung atomarer freier Volumen und Kristallisation in Si-(B)-C-N-Precursorkeramiken

Abstract

Nichtoxidkeramiken auf der Basis von organischen Precursoren weisen günstige Potenziale als zukünftige Hochleistungskeramiken auf. In der vorliegenden Arbeit werden nanoskalige freie Volumen, deren chemische Umgebung sowie deren Entwicklung bei Anlassbehandlungen in Precursorkeramiken des Systems Si-B-C-N mit den spezifischen Methoden der Positronenzerstrahlungsspektroskopie analysiert. Diese freien Volumen sind für Diffusionsprozesse, Festkörperreaktionen oder mechanische Verhalten dieser Keramiken von wesentlicher Bedeutung. Zum besseren Verständnis von freien Volumen in ternären und quaternären Precursor-Keramiken des Si-B-C-N-Systems wurden zunächst in den binären Keramiken Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und Bornitrid dieses Systems die Struktur von Einzelleerstellen und freien Volumen (Leerstellenagglomerate bis zur Größe von ca. 1 nm^3) charakterisiert. Im Falle von Siliziumkarbid konnten durch Elektronenbestrahlung Leerstellen selektiv auf dem Kohlenstoff- oder dem Siliziumuntergitter eingeführt und spezifisch mit der Positronlebensdauerspektroskopie und der koinzidenten Messung der Dopplerverbreiterung der Positron-Elektron-Zerstrahlungslinie identifiziert werden. In der ternären Si_{1}C_{1,6}N_{1,3}-Keramik ergaben Messungen der Positronenzerstrahlung mit zusätzlichen Messungen von Dichte und Röntgenbeugung, dass während der Pyrolyse die Größe der freien Volumen drastisch abnimmt und sich im amorphen Bereich (1050 °C-1500 °C) mit den beiden Phasen Silizium-nitrid und Kohlenstoff praktisch nicht ändert. Die Kristallisation bei 1700 °C ist mit einer drastischen Reduzierung der freien Volumen mit gleichzeitiger Zunahme der Massendichte verbunden. In der quaternären Si_{3}B_{1}C_{4,3}N_{2}-Keramik, bei der durch Zugabe von Bor die Zersetzungstemperatur auf ca. 2000 °C angehoben werden kann, ergaben die Messungen der Positronenzerstrahlung und der Dichte, und die Röntgenbeugung, dass im Herstellungszustand die Positronen im wesentlichen in den vorhandenen turbostratischen Borcarbonitrid-Schichten eingefangen werden und mit einer für freie Volumen von ca. 15 fehlenden Atomen typischen Lebensdauer zerstrahlen. Bei 1400 °C bilden sich erste SiC-Kristallite. Die vollständige Kristallisation erfolgt bei 1600 °C mit einer Zeitkonstanten von ca. 10 h und wird wohl durch die Keimbildung bestimmt. Erst bei höheren Temperaturen, nämlich ab 1800 °C wachsen die Kristallite auf mittlere Durchmesser von ca. 50nm auf einer Zeitskala von 20-30 h beim gleichzeitigen Abbau der Verzerrungen. Zudem verschwinden Nanovoids, die sich wohl zwischen den Kristalliten befinden. Für das Kristallitwachstum wird eine Aktivierungsenergie von ca. 3,9 eV abgeleitet und zusammen mit Daten aus Diffusionsexperimenten diskutiert.

Non-oxide ceramics derived from organic precursors show high potentials for high-perfomance ceramics. In the present work nanoscale free volumes, their chemical environment as well as their development after annealing experiments are analysed in precursor-ceramics of the system Si-B-C-N with the specific techniques of positron annhilation spectroscopy. These free volumes are highly relevant for diffusion processes, solid state reactions or the mechanical properties of these ceramics. For better understanding of the free volumes in ternary and quaternary precursor-ceramics in the system Si-B-C-N the stucture of single vacancies and free volumes (vacancy agglomerates of the size of up to 1 nm^3) were characterized in the binary ceramics silicon carbide, silicon nitride and boron nitride. In the case of silicon carbide vacancies could be introduced selectively by electron irradiation on the carbon sublattice or on the silicon sublattice and were specifically identified by positron lifetime measurements and the coincident measurement of the Doppler broadening of the electron positron annihilation line. In the ternary ceramic Si_{1}C_{1.6}N_{1.3} measurements of the positron annihilation together with results from measurements of the mass density and from x-ray diffraction show a substantial descrease of the size of the free volumes during pyrolyzation. In the amorphous state with the phases of amorphous silicon nitride and amorphous carbon the size of the free volumes is unchanged with the annealing temperature (1050 C-1500 C). The crystallization at 1700 °C is combined with a drastic decrease of the free volume concomitant with an increase of the mass density. In the quaternary Si_{3}B_{1}C_{4.3}N_{2} ceramics the decomposition temperature is increase to 2000 °C due to boron doping. The measurements of the positron annihilation, of the mass density and of x-ray diffraction show that in the as-prepared amorphous ceramics the positrons were mainly trapped in the B-C-N turbostratic layers and annihilated with a positron lifetime which is typical for free volumes of the size of about 15 missing atoms. Crystallization slowly starts at 1400 °C. Complete crystallization by the nucleation of small crystallites with sizes less than 8 nm occurs at 1600 °C with a time constant of about 10 h. At 1800 °C substantial grain growth up to grain sizes of 50 nm and the vanishing of strains is observed concomitant with the disappearance of nanovoids which are located between the grains on a time scale of 20 h to 30 h. The activation enthalpy as determined from the studies of the crystal growth exhibits a value of about 3.9eV which is discussed together with diffusion data.