Processing of Biomorphic Porous Ceramics by Chemical Vapor Infiltration and Reaction Technique (CVI-R)

Herstellung biomorpher, poröser Keramiken mittels Chemischer Gasphaseninfiltration und Reaktion

  • Biomorphic ceramics are a new class of materials derived from natural biopolymers that can be fabricated by different ceramization routes in order to produce carbides, nitrides and oxides, depending on the processing conditions. A wide variety of non-oxide ceramics such as SiC, Si3N4 and SiC-Si3N4 in addition to oxide-based ceramics like TiO2 have been produced in this study from carbonized paper preforms using Chemical Vapor Infiltration and Reaction (CVI-R) technique. For production of non-oxide ceramics, different precursor systems such as SiCl4/H2 and Metlytrichlorosilane (MTS)/H2 were used in order to deposit firstly preceramic layers such as Si or Si/SiC into the carbon template, then Biomorphic ceramics are a new class of materials derived from natural biopolymers that can be fabricated by different ceramization routes in order to produce carbides, nitrides and oxides, depending on the processing conditions. A wide variety of non-oxide ceramics such as SiC, Si3N4 and SiC-Si3N4 in addition to oxide-based ceramics like TiO2 have been produced in this study from carbonized paper preforms using Chemical Vapor Infiltration and Reaction (CVI-R) technique. For production of non-oxide ceramics, different precursor systems such as SiCl4/H2 and Metlytrichlorosilane (MTS)/H2 were used in order to deposit firstly preceramic layers such as Si or Si/SiC into the carbon template, then by further chemical reaction in He or N2 containing atmosphere at high temperature, SiC, Si3N4 and SiC-Si3N4 composite ceramics with different composition, phase structure and morphology were obtained successfully. As SiC-based ceramics are used commonly for high temperature structural applications, the influence of SiC microstructure and the SiC-Si3N4 composition on their oxidation resistance performance was investigated under isothermal and cyclic oxidation conditions. Additionally, processing of biomorphic TiO2 ceramics by CVI-R technique was carried out firstly by infiltration of the carbon biotemplate with TiCl4/H2/CH4 and TiCl4/H2/N2 precursors in order to obtained TiC and TiN, respectively. Subsequently, TiO2 ceramics were obtained by exposing TiC or TiN to oxidation step in airflow at a wide range of temperatures. Their crystalline structure (anatase, rutile) as well as specific surface area (SSA) and mechanical properties was found to depend on the oxidation temperature. Generally, the SSA of biomorphic carbide ceramics obtained by CVI-R technique is low, not more than 1 m2/g, which is not suitable for applications as catalyst or catalyst support. The carbide derived carbon (CDC) approach was applied on the SiC and TiC ceramics as an additional step in the ceramization process in order to enhance their SSA. Nanoporous carbon with very high SSA was generated on the carbide surface which was subsequently converted into highly porous SiC or TiC by either CVI or CVI-R technique using appropriate precursor system. The photocatalytic activity of biomorphic TiO2 ceramics prepared by different techniques such as conventional CVI-R, CVI-R combined with CDC approach and SiC viii supported TiO2 ceramics was evaluated by photodegradation of 4-Chlorophenol under ultraviolet radiation. The photocatalytic activity of TiO2 obtained by combined CVIR/ CDC approach exhibited the highest photocatalytic activity due to its higher crystalline anatase structure with higher SSA compared to the other TiO2 samples. The biomorphic porous ceramics produced by CVI-R technique shows very good mechanical performance even after oxidation at high temperature. Possible applications as catalyst (TiO2) or catalyst support (SiC, SiC-Si3N4) even at high temperatures can be applied.show moreshow less
  • Biomorphe Keramiken stellen eine neue Klasse von Materialien dar, die aus natürlichen Biopolymeren abgeleitet werden. Über verschiedene Keramisierungsverfahren können Karbide, Nitride und Oxide, mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden. Ein breites Spektrum an nicht-oxidischen Keramiken, wie etwa SiC, Si3N4 und SiC-Si3N4 zusätzlich zu den oxid-basierten Keramiken, wie TiO2 wurden im Rahmen dieser Arbeit aus Papiervorformen mittels chemischer Gasphaseninfiltration und Reaktion (CVI-R) hergestellt. Für die Herstellung von nicht-oxidischen Keramiken wurden verschiedene Precursorsysteme, wie SiCl4/H2 und Methyltrichlorsilan (MTS)/H2 verwendet, um zuerst präkeramische Schichten, wieBiomorphe Keramiken stellen eine neue Klasse von Materialien dar, die aus natürlichen Biopolymeren abgeleitet werden. Über verschiedene Keramisierungsverfahren können Karbide, Nitride und Oxide, mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden. Ein breites Spektrum an nicht-oxidischen Keramiken, wie etwa SiC, Si3N4 und SiC-Si3N4 zusätzlich zu den oxid-basierten Keramiken, wie TiO2 wurden im Rahmen dieser Arbeit aus Papiervorformen mittels chemischer Gasphaseninfiltration und Reaktion (CVI-R) hergestellt. Für die Herstellung von nicht-oxidischen Keramiken wurden verschiedene Precursorsysteme, wie SiCl4/H2 und Methyltrichlorsilan (MTS)/H2 verwendet, um zuerst präkeramische Schichten, wie Si odor Si/SiC auf das Kohlenstofftemplat abzuscheiden. Anschließend wurden durch chemische Reaktion in He- oder N2-Atmosphäre bei hohen Temperaturen SiC, Si3N4 und SiC-Si3N4 Keramiken mit unterschiedlicher Zusammensetzung, Phasenstruktur und Morphologie erfolgreich erzeugt. Da SiC-basierte Keramiken allgemein Anwendung im Hochtemperaturbereich finden, wurde der Einfluss der SiC-Mikrostruktur und der SiC-Si3N4 Zusammensetzung auf ihre Oxidationsbeständigkeit unter isothermer sowie zyklischer Oxidation untersucht. Zusätzlich wurde die Herstellung von biomorphen TiO2-Keramiken mittels CVI-R Technik durch Infiltration des Kohlenstofftemplates mit den Precursorsystemen TiCl4/H2/CH4 oder TiCl4/H2/N2 zuerst TiC oder TiN erzeugt. In einem anschließenden Oxidationsschritt im Luftstrom in einem weiten Temperaturbereich wurden die TiC oder TiN-Keramiken zu TiO2-Keramiken umgesetzt. Ihre kristalline Struktur (Anatas, Rutil) sowie die spezifische Oberfläche und mechanischen Eigenschaften sind von der Oxidationstemperatur abhängig. Im Allgemeinen ist die spezifische Oberfläche von biomorphen Keramiken die durch den CVI-R Prozess hergestellt wurden, sehr gering, – kleiner 1 m2/g – was sie für die Anwendung als Katalysator oder Katalysatorträger nicht attraktiv macht. Die Carbidederived Carbon (CDC) Methode wurde an den SiC und TiC-Keramiken angewendet, um die spezifische Oberfläche zu erhöhen. Der nanoporöse Kohlenstoff mit sehr hoher spezifischer Oberfläche wurde auf der Karbidoberfläche erzeugt und im nächsten Schritt in hochporöses SiC oder TiC mittels CVI oder CVI-R mit geeigneten Precursorsystemen umgewandelt. x Die photokatalytische Aktivität der biomorphen TiO2-Keramiken, die durch unterschiedliche Route hergestellt wurde, hinsichtlich der Photozersetzung von 4- Chlorphenol unter UV-Licht untersucht. Dabei zeigt die durch den CVI-R Prozess mit anschließender CDC-Methode modifizierte Keramik die höchste photokatalytische Aktivität aufgrund des hohen Anteils der kristallineren Anatasstruktur mit höherer spezifischer Oberfläche verglichen mit den anderen TiO2-Keramiken. Die biomorphen, porösen Keramiken die mittels CVI-R Technik hergestellt wurden, zeigen sehr gute mechanische Eigenschaften sogar nach Hochtemperaturoxidation. Anwendungen als Katalysator (TiO2) oder als hochtemperaturbeständiger Katalysatorträger (SiC, SiC-Si3N4) sind daher viel versprechend.show moreshow less

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Metadaten
Author:Hanadi Ghanem
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-11814
Advisor:Nadejda Popovska
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2008
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2008/08/27
Release Date:2008/11/28
Tag:Biomorphic; CDC; CVI-R; Composite; Photocatalyst
SWD-Keyword:Anatasstruktur; Biomorphe; hochtemperaturbeständiger; photokatalytische
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $