Ursachenanalyse der Porenbildung und Verdichtungsmaßnahmen bei der Herstellung von Aluminiumoxidkeramik

Abstrakt

Aluminiumoxid Keramik ist Aufgrund ihrer hohen Härte (typischerweise bis zu Mohs-Härtegrad 9), ihrer ausgezeichneten Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie ihrer guten Isolationseigenschaften (spezifischer Volumenwiderstand > 10¹⁴ Ω·m) finden Aluminiumoxidkeramiken breite Anwendung in Gleitringdichtungen, Substraten für elektronische integrierte Schaltungen, chemischen Ventilen und biomedizinischen künstlichen Gelenken. Allerdings können während des Herstellungsprozesses entstehende Poren – selbst geschlossene Poren mit einem Volumenanteil von nur 2 % – die Biegefestigkeit des Materials um etwa 20 % reduzieren und seine Durchschlagsfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit erheblich beeinträchtigen. Diese Arbeit analysiert systematisch die primären Mechanismen der Porenentstehung in Aluminiumoxidkeramiken und untersucht eine Reihe effektiver Verdichtungsmaßnahmen aus verschiedenen Perspektiven, darunter die Rohmaterialbehandlung, Formgebungsprozesse, Sinterverfahren und der Einsatz von Additiven. Gestützt auf spezifische experimentelle Daten und praktische Anwendungsfälle liefert die Studie eine theoretische Grundlage und Prozessleitlinien für die Herstellung von Hochleistungs-Aluminiumoxidkeramiken mit einer Porosität unter 0,5 %.

Schlüsselwörter

Aluminiumoxidkeramik; Porosität; Verdichtung; Sinterprozess; Umformtechnik; Additive

1. Problemhintergrund und Herausforderungen Mit dem Fortschritt der High-End-Gerätefertigung hin zu höherer Präzision und Zuverlässigkeit steigen auch die Leistungsanforderungen an Strukturkeramik Die Anforderungen an Aluminiumoxidkeramiken sind zunehmend strenger geworden. Insbesondere bei Anwendungen in Hochgeschwindigkeitslagern oder Hochspannungsisolationsbauteilen stellen interne Poren im Mikrometer-/Submikrometerbereich die Achillesferse des Materials dar. Untersuchungen zeigen, dass die Biegefestigkeit bei einer Erhöhung der Porosität von 0,5 % auf 5 % sprunghaft von 380 MPa auf etwa 240 MPa abfallen kann. Diese Poren wirken als Spannungskonzentrationspunkte in Spannungsfeldern und begünstigen die Ausbreitung von Mikrorissen. In elektrischen Feldern verursachen sie lokale Feldverzerrungen, wodurch die Isolationsfestigkeit um mehr als 30 % sinkt. In sauren/alkalischen Umgebungen dienen offene Poren als schnelle Eintrittspforten für korrosive Medien und beschleunigen so das Materialversagen. Daher ist die nahezu vollständige Verdichtung von Aluminiumoxidkeramiken (Dichte ≥ 3,92 g/cm³, theoretische Dichte 3,98 g/cm³) entscheidend, um deren Leistungsgrenzen zu überwinden.

2. Herstellungsprozess und Analyse des Porenentstehungsszenarios. Am Beispiel der Herstellung eines typischen 99%igen Aluminiumoxid-Keramiksubstrats: Zunächst wird Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 0,5 μm mit Polyvinylalkohol als Bindemittel, Glycerin als Weichmacher und destilliertem Wasser zu einer homogenen Suspension mit 75 Gew.-% Feststoffgehalt vermischt. Die Mischung wird mittels Planetenkugelmühle (300 U/min, 4 h) hergestellt. Anschließend wird die Suspension durch Bandgießen zu 0,5 mm dicken Grünbändern oder durch Trockenpressen bei 100 MPa zu scheibenförmigen Grünlingen geformt. Abschließend werden die Grünlinge in einem Luftofen gesintert: Zunächst wird die Temperatur mit 2 °C/min auf 600 °C erhöht, um das Bindemittel zu entfernen. Anschließend wird mit 5 °C/min auf 1650 °C erhitzt und 2 h lang gehalten, um den Sinterprozess abzuschließen.

Poren können in nahezu jeder Phase dieses Prozesses eingeführt werden:

Rohmaterialstadium: Werden Pulver mit einer breiten Partikelgrößenverteilung (z. B. 0,1–10 μm) oder harte Agglomerate verwendet, bilden sich im Grünling Zwischenpartikelhohlräume, wodurch die Anfangsdichte auf unter 50 % des theoretischen Wertes sinkt.

Formgebungsphase: Beim Trockenpressen kann eine ungleichmäßige Druckverteilung (z. B. uniaxiales Pressen) Dichteschwankungen von über 10 % in verschiedenen Bereichen verursachen, wodurch zahlreiche offene Poren in Niederdruckbereichen entstehen. Beim Bandgießen können unzureichende Nivellierung oder Entlüftung der Suspension Blasen mit einer Größe von mehreren zehn Mikrometern einschließen.

Sinterphase: Schnelles Erhitzen (z. B. >10 °C/min) führt zu einer heftigen Zersetzung des Bindemittels und zur Bildung eines Netzwerks von Porenkanälen. Ist die maximale Temperatur zu niedrig (z. B. 1800 °C oder 5 h) zu abnormalem Kornwachstum führen und Poren als geschlossene Poren einschließen.

3. Umfassende Verdichtungslösungen und technische Maßnahmen 3.1 Optimierung und Vorbehandlung des Rohpulvers Die Verwendung von submikronem Aluminiumoxidpulver, das mittels chemischer Kopräzipitation synthetisiert wurde (mittlere Partikelgröße 0,2 μm, spezifische Oberfläche 8 m²/g), verbessert die Sinteraktivität im Vergleich zu herkömmlich mechanisch zerkleinertem Pulver deutlich. So konnte beispielsweise in einer Studie die Agglomeratgröße von 3 μm auf unter 0,5 μm reduziert werden, indem 0,3 Gew.-% Ölsäure als Dispergiermittel zugegeben und das Pulver 12 h lang in einer Nasskugelmühle mit Zirkonoxidkugeln vermahlen wurde. Dadurch erhöhte sich die Trockenrohdichte von 1,85 g/cm³ auf 2,15 g/cm³.

3.2 Präzise Steuerung von Formgebungsprozessen Isostatisches Pressen: Durch die Anwendung von kaltisostatischem Pressen (CIP) mit 200 MPa auf vorgepresste Grünlinge erhöht sich die Gründichte auf über 60 % des theoretischen Wertes, bei einem Dichtegleichmäßigkeitsfehler von

Spritzgießen und Bandgießen: Die Verwendung eines Mehrkomponenten-Bindemittelsystems (z. B. PW+PE+SA) und eines zweistufigen Entbinderungsprozesses – Erhitzen mit 0,5 °C/min auf 400 °C, um niedermolekulare Komponenten zu entfernen, und anschließend mit 1 °C/min auf 600 °C, um Restpolymere zu entfernen – verhindert wirksam die Bildung von Poren und Rissen.

3.3 Sinterregime-Design und fortschrittliche Sintertechniken: Sinterung unter Atmosphärendruck: Die Nachbehandlung mittels heißisostatischem Pressen (HIP) (1400 °C, 100 MPa Ar) reduziert die Restporosität von 1,5 % beim konventionellen Sintern auf unter 0,1 %. So weisen beispielsweise HIP-behandelte Aluminiumoxid-Keramikkugellager die dreifache Dauerfestigkeit unbehandelter Kugeln auf.

Funkenplasmasintern (SPS): Durch Halten bei 1500°C unter einem Druck von 50 MPa für 5 min wird eine relative Dichte von >99,5% erreicht, wobei die Korngröße unter 1 μm gehalten wird, wodurch ein Poreneinschluss an den Korngrenzen wirksam verhindert wird.

Optimierte mehrstufige Sinterkurve: Experimente zeigen, dass langsames Erhitzen mit 1 °C/min im Bereich von 600–1200 °C die organische Zersetzung und die Gasfreisetzung begünstigt; schnelleres Erhitzen mit 5 °C/min im Bereich von 1200–1550 °C beschleunigt die Diffusion; und langsames Erhitzen mit 0,5 °C/min oberhalb von 1550 °C fördert die Poreneliminierung und reduziert letztendlich die Porosität auf 0,8 %.

3.4 Wissenschaftliche Auswahl von Sinteradditiven: Die Zugabe von 0,5 Gew.-% MgO hemmt die Korngrenzenwanderung und verhindert so den Poreneinschluss. Durch die Einarbeitung von 1–3 Gew.-% SiO₂ + MgO bildet sich an den Korngrenzen eine flüssige Magnesiumaluminosilicatphase, die eine Verdichtung durch Flüssigphasensintern bei niedrigeren Temperaturen (1500–1550 °C) ermöglicht. Beispielsweise senkt die Zugabe von 1 % TiO₂ die Sintertemperatur von Aluminiumoxid um ca. 100 °C bei gleichzeitiger Erreichung einer Dichte von 3,90 g/cm³.

3.5 Kontrolle der Sinteratmosphäre Das Sintern in einer Wasserstoffatmosphäre reduziert Oxidverunreinigungen auf der Al₂O₃-Oberfläche und fördert die Korngrenzenwanderung. Vakuumsintern (10⁻³ Pa) erleichtert die Entfernung von Restgasen und eignet sich daher besonders für große Bauteile mit Dicken über 20 mm.

4. Zusammenfassung und Ausblick Die Reduzierung der Porosität in Aluminiumoxidkeramiken stellt eine systematische ingenieurtechnische Herausforderung dar, die von mehreren gekoppelten Faktoren abhängt. Die Praxis zeigt, dass die Optimierung eines einzelnen Prozesses nicht ausreicht; eine umfassende Strategie, die „Pulvervorbehandlung + Formhomogenisierung + Sinterverbesserung + Additivsynergie“ umfasst, ist unerlässlich.

Auswahl hochreaktiver Nano-/Submikronpulver und Verbesserung ihrer Dispergierbarkeit.

Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Grünlings durch CIP oder optimiertes Bandgießen.

Die Wahl zwischen SPS/HIP und präzise gesteuertem drucklosem Sintern richtet sich nach der Produktform und den Leistungsanforderungen.

Gezielter Einsatz von Additiven wie MgO und Seltenerdoxiden zur Aktivierung von Korngrenzen oder zur Bildung transienter flüssiger Phasen.

Durch den Einsatz reduzierender Atmosphären oder Vakuumatmosphären wird die Bildung geschlossener Poren unterdrückt.

Durch diese integrierten Maßnahmen können hochzuverlässige Aluminiumoxidkeramiken mit einer Porosität unter 0,5 % und einer Dreipunkt-Biegefestigkeit von über 400 MPa hergestellt werden, wodurch der dringende Bedarf an Hochleistungskeramiken in der Halbleiterindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie anderen fortschrittlichen Bereichen gedeckt wird.