Untersuchung der Struktur und des Kristallisationsverhaltens von Si-C-N- und Si-B-C-N-Precursorkeramiken mit Röntgen- und Neutronenbeugung

Abstract

Die atomare Nahordnung und die mittelreiweitige Struktur amorpher Si-C-N- und Si-B-C-N-Keramiken wurde mit Röntgen- und Neutronenbeugung untersucht. Ein Vergleich der Strukturfaktoren S(Q) von Si-C-N-Keramiken, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden, mit den S(q) von amorphem Kohlenstoff und amorphem Si3N4, hat gezeigt, dass die S(q) der Keramiken ein gewichtetes Mittel dieser beiden S(q) darstellen. Die amorphen Si-C-N-Keramiken setzen sich also zuammen aus einer amorphen graphitartigen Phase und amorphem Si3N4 und die partiellen S(q) für diese beiden Phasen konnten mit der so genannten Konzentrations-Kontrast-Variation gewonnen werden. Die partiellen S(q) der amorphen Kohlenstoffphase in den Si-C-N-Keramiken wurden mit einem Strukturmodell für amorphen Kohlenstoff simuliert. Diese Simulation hat ergeben, dass die atomare Anordnung der amorphen Kohlenstoffphase in Si-C-N-Keramiken innerhalb der Kohlenstoffebenen der Ordnung in amorphem Kohlenstoff entspricht, die Ordnung zwischen den Ebenen jedoch weniger ausgeprägt ist. Bei einer detailierten Untersuchung der Parrkorrelationsfunktion von Si-B-C-N-Keramiken wurden zusätzliche B-N-Bindungen gefunden, wobei die Boratome in einer hexagonalen Struktur eingebaut sind. Die B-N-Bindungen in der amorphen BN-C Phase erstrecken sich im Gegensatz zu den C-C Bindungen nur über einen beschränkten Bereich. Die Kleinwinkelbeugung zeigt ebenfalls eine Separation in zwei amorphe Phasen. Kristallistion beginnt bei den Si-C-N-Keramiken je nach Kohlenstoffgehalt bei 1200-1400°C. Man findet Reflexe von a- und b-Si3N4 und SiC. Zwischen 1400-1500°C findet eine Zersetzung der Si3N4-Phase in SiC und Stickstoff statt. Im Gegensatz zu den Si-C-N-Keramiken sind in den Si-B-C-N-Keramiken bei 1400°C nur SiC Nanokristallite mit einer Größe von etwa 2nm vorhanden. Ab 1700°C entsteht krist. Si3N4. Hochtemperaturstabile Si-B-C-N-Keramiken zeigen nicht die erwartete Reaktion von Si3N4 mit Kohlenstoff bei etwa 1480°C.

The atomic short-range order and the medium range structure of amorphous Si-C-N and Si-B-C-N ceramics was investigated by X-ray and neutron scattering. Comparison of the structure factors S(q) of Si-C-N ceramics which differ in chemical composition with those of amorphous carbon and amorphous silicon nitride revealed that the S(q) of the ceramics are a weighted average of these two S(q). So the amorphous Si-C-N ceramics consist of an amorphous graphite like phase and of amorphous silicon nitride and the partial S(q) for these two phases could be derived by the so called concentration contrast variation method. The partial S(q) of the amorphous carbon phase in Si-C-N ceramics were simulated with a structure model for amorphous carbon. The simulation showed that the atomic arrangement of the amorphous carbon phase in Si-C-N ceramics in the layers is equal to amorphous carbon, but the order between the layers is less pronounced. A detailed investigation of the pair correlation functions of Si-B-C-N ceramics revealed additional B-N bonds where the boron atoms are incorporated in a hexagonal structure. The B-N bonds in the amorphous BN-C phase exist only within a restricted correlation range in contrast to the C-C bonds. Small angle scattering also shows the separation in two amorphous phases. Crystallisation in Si-C-N ceramics starts at 1200-1400°C depending on their carbon content. Reflections from alpha- and beta-silicon nitride and SiC are observed. Between 1400°C and 1500°C the silicon nitride phase decomposes into SiC and nitrogen. In contrast to the Si-C-N ceramics, only SiC nanocrystallites with a size of about 2nm were found in the Si-B-C-N ceramics after annealing at 1400°C. At 1700°C crystalline silicon nitride is formed. High-temperature stable Si-B-C-N ceramics do not show the expected reaction of silicon nitride with carbon at about 1480°C.