Synthesis and Processing of Amorphous Si(Al)OC Bulk Ceramics

In this work we report on bulk Si-Al-O-C ceramics produced by pyrolysis of commercial poly(methylsilsesquioxane) precursors. Prior to the pyrolysis the precursors were cross-linked with a catalyst, or modified by the sol-gel-technique with an Al-containing alkoxide compound, namely alumatrane. This particular procedure yields amorphous ceramics with various compositions (Si1.00O1.60C0.80, Si1.00Al0.04O1.70C0.48, Si1.00Al0.07O1.80C0.49, and Si1.00Al0.11O1.90C0.49) after thermal decomposition at 1100°C in Ar depending on the amount of Al-alkoxide used in the polymer reaction synthesis. The as-produced ceramics are amorphous and remain so up to 1300°C. Phase separation accompanied by densification (1300-1500°C) and formation of mullite are the stages during heat-treatment. The nano-crystals of mullite are embedded in an amorphous Si(Al)OC matrix. An activation energy of 503 ± 60 [kJ/mole] equivalent to mullite crystallization is calculated, which is similar to monophasic gels. A minimum oxidation rate constant of 6.142 x 10-2 [mg2/cm4 x h] is calculated for the oxidation of pyrolyzed aluminum modified ceramic at 1400°C. The change in the viscosity and activation energy with aluminum content is investigated by the creep behavior of the SiAlOC ceramics. A glass transition temperature of 1220-1300°C similar to SiOC ceramic is mentioned and decreases with increasing content of aluminum in the material. Potential application of polysiloxane derived SiOC ceramic in the field of ceramic micro electro mechanical systems (MEMS) is reported.

In dieser Arbeit wird über Bulk-Keramiken hergestellt durch Pyrolyse von kommerziellen Poly(methylsilsesquioxane)-Precusoren berichtet. Vor der Pyrolyse wurden die Precusoren mit einem Katalysator vernetzt oder mit einer aluminiumhaltigen Alkoxidverbindung der Bezeichnung Alumatrane und der Sol-Gel-Technik modifiziert. Diese beiden Methoden führen zu amorphen Keramiken mit unterschiedlicher Zusammensetzung (Si1.00O1.60C0.80, Si1.00Al0.04O1.70C0.48, Si1.00Al0.07O1.80C0.49, and Si1.00Al0.11O1.90C0.49) nach thermischer Zersetzung bei 1100°C unter Argonatmosphäre, je nach Gehalt der Al-Alkoxide während der Polymersynthese. Die so hergestellten Keramiken sind bis zu 1300°C amorph. Die verschiedenen Stadien während der thermischen Behandlung führen zur Phasenseparation, Verdichtung (1300-1500°C) und der Bildung von Mullit. Die nanokristallinen Mullitphasen sind in einer amorphen Si(Al)OC Matrix eingebettet. Es wurde eine Aktivierungsenergie von 503 ± 60 [kJ/mol] entsprechend der Mullitkristallisation berechnet, die in etwa denen von einphasigen Gelen entspricht. Eine minimale Oxidationsrate von 6.142 x 10-2 [mg2/cm4 x h] wurde für die pyrolisierte aluminiummodifizierte Keramik bei 1400°C berechnet. Der Einfluss des Aluminiumgehalts auf die Viskosität und die Aktivierungsenergie von SiAlOC-Keramiken wurde an Hand des Kriechverhaltens untersucht. Die Glasübergangstemperatur liegt zwischen 1220-1300°C ähnlich der von SiOC Keramiken und fällt mit steigendem Aluminiumgehalt. Potentielle Anwendungen von polysiloxan abgeleiteten SiOC Keramiken im Bereich von mechanischen Mikroelektroniksystemen (MEMS) werden diskutiert.