New applications of amorphous Si3B3N7 ceramics and a novel production method for crystalline nitridosilicates

Abstract

High performance ceramics are key materials in our century in various high-tech applications. Among them, non-oxide ceramics have attracted particular attention due to their outstanding chemical, mechanical and thermal stability. Recently, various Si and N containing multinary non-oxide ceramics have been investigated. From these diverse systems, precursor derived amorphous Si/B/N/C ceramics show superior mechanical and thermal durability compared to their binary subsystems. The fact that makes these ceramics even more special is the preparation method based on the polymer route. In this route, a single source precursor molecule is polymerized by a suitable crosslinking agent yielding a polymer, which can be easily processed, e.g. via classical polymer processing techniques. The most prominent application of those preceramic polymers is producing the amorphous Si/B/N/C fibers, which are the only fibers that fulfill all the requirements as stated by the European turbine producers for energy and aerospace applications. Obviously, it is very challenging and urgent to find new single source precursors as well as new fields of application for amorphous Si/B/N/(C) ceramics. In this thesis, thus, amorphous Si3B3N7 ceramic has been applied as a host matrix for various rare-earth ions (Chapter 5) in order to be used as a new class of phosphor materials and for Fe, Co and Ni elements (Chapter 6) to obtain ferromagnetic materials. Furthermore, a monocyclic silaborazine-type single source precursor molecule has been synthesized for new amorphous Si/B/N/(C) ceramics (Chapter 8). Additionally, an open cell Si/B/N/C ceramic foam has been prepared (Chapter 9). Apart from the amorphous Si/B/N/(C) ceramics, M/Si/N systems, where M = alkaline, alkaline earth or rare earth elements, are also considered as an important class of materials, which are widely applied as host lattices for efficient phosphors. Out of them, M2Si5N8 and MSi7N10 materials, where M = Ca, Sr and Ba, are particularly interesting host lattices especially for Eu2+ and Ce3+ ions and have recently been studied extensively because of their exceptional photoluminescence properties. Different research groups in all over the world are struggling to find a reasonable synthesis method for the mass production of those kind of phosphors. In the present thesis, a novel production method based on the polymer route has been developed for the production of not only already known but also some new rare-earth doped M2Si5N8 and BaSi7N10 host lattices, where M = Ca and Sr (Chapter 7).

Hochleistungskeramiken stellen heutzutage Schlüsselmaterialien in zahlreichen High-tech-Anwendungen dar, wobei vor allem die nicht-oxidischen Keramiken, aufgrund ihrer hervorragenden chemischen, mechanischen und thermischen Stabilität, besondere Aufmerksamkeit erlangt haben. In letzter Zeit wurden verstärkt Si und N enthaltende, multinäre nicht-oxidische Keramiken untersucht, von denen besonders die über Vorläufermoleküle erhaltenen, amorphen Si/B/N/C-Keramiken im Vergleich zu den entsprechenden binären Systemen, eine verbesserte mechanische und thermische Beständigkeit auf-weisen. Ein weiterer Punkt macht diese Art von keramischen Materialien sehr speziell, nämlich deren Synthese über eine Polymerroute. Bei diesem Verfahren wird ein Vorläufermolekül mit Hilfe eines geeigneten Vernetzungsreagenzes polymerisiert. Das entstandene Polymer lässt sich dann leicht über klassische Verarbeitungsschritte der Polymertechnik weiterverarbeiten.

Die bekannteste Anwendung für derartige präkeramische Polymere ist die Herstellung von amorphen Si/B/N/C-Fasern. Diese Fasern erfüllen als einzige die, von europäischen Turbinenherstellern vorgegebenen Voraussetzungen für den Einsatz in der Kraftwerks- und Raumfahrttechnik. Die Entdeckung neuer Vorläufermoleküle, sowie die Erschließung neuer Anwendungsgebiete für amorphe Si/B/N/C-Keramiken stellt demnach eine dringende Herausforderung dar.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde daher eine amorphe Si3B3N7-Keramik als Trägermaterial für verschiedene Seltenerdionen (Kapitel 5) zur Entwicklungen einer neuen Klasse von Leuchtstoffen, sowie durch Einbau von Elementen wie Fe, Co und Ni (Kapitel 6) zur Herstellung von ferromagnetischen Materialien eingesetzt. Außerdem wurde ein monozyklisches Silaborazinderivat als Vorläufermolekül für eine neuartige Si/B/N/(C) Keramik (Kapitel 8), sowie ein offenzellige Si/B/N/C-Schaumkeramik hergestellt (Kapitel 9).

Neben den amorphen Si/B/N/C-Keramiken wurden auch M/Si/N-Systeme mit M = Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerdmetall untersucht, die als Trägermaterial für effiziente Leuchtstoffe bereits weit verbreitete Verwendung finden. M2Si5N8 und MSi7N10 Systeme mit M = Ca, Sr, Ba sind dabei als Matrixmaterial, speziell für Eu2+ und Ce3+, besonders interessant und werden seit kurzem intensiv hinsichtlich ihrer außergewöhnlichen Photolumineszenz untersucht. Verschiedene Forschungsgruppen auf der ganzen Welt bemühen sich sehr intensiv um eine rationale Synthesemethode zur großtechnischen Herstellung dieser Art Leuchtstoffe. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine, auf der Polymerroute basierende, neue Synthesemethode entwickelt, die nicht nur zur Herstellung von bereits bekannten, sondern auch von neuartigen, mit Seltenerdionen dotierten M2Si5N8 (mit M = Ca und Sr) und BaSi7N10-Matrizen verwendet werden kann (Kapitel 7).