Welche Anwendungsgebiete gibt es für Siliziumnitridkeramik?

  Siliziumnitrid ist eine anorganische Verbindung mit der chemischen Formel Si₃N₄Siliciumnitrid (Si₃N₄) ist wasserunlöslich, hat eine Molmasse von 140,283 g/mol und erscheint grau bis gräulich-weiß. Es gehört zu den hochtemperaturunlöslichen Verbindungen, besitzt keinen Schmelzpunkt und weist eine hohe Beständigkeit gegen Hochtemperaturkriechen auf. Seine Löslichkeit beschränkt sich auf Fluorwasserstoffsäure und heiße Phosphorsäure, da es mit anderen anorganischen Säuren nicht reagiert, was seine hohe Korrosionsbeständigkeit unterstreicht. Si₃N₄ existiert in drei kristallographischen Formen: der α-, β- und γ-Phase. Die α- und β-Phase sind die häufigsten Formen von Si₃N₄ und können bei Atmosphärendruck synthetisiert werden. Die γ-Phase ist nur unter Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen zugänglich und erreicht eine Härte von bis zu 35 GPa.

1.SiliziumnitridkeramikS

• Herstellungsverfahren für Siliziumnitridkeramik:

Es gibt zwei Verfahren zur Herstellung von Siliziumnitrid-Keramikprodukten: das reaktive Sinterverfahren und das Heißpresssinterverfahren. Beim reaktiven Sinterverfahren wird eine Mischung aus Siliziumpulver oder Siliziumpulver kombiniert mit Siliziumnitridpulver Gemäß gängigen Keramikherstellungsverfahren wird das Material zunächst in einem Nitrierofen bei Temperaturen von 1150 bis 1200 °C vornitriert. Nach Erreichen einer bestimmten Festigkeit kann es mechanisch auf Werkzeugmaschinen bearbeitet und anschließend bei Temperaturen zwischen 1350 und 1450 °C für 18 bis 36 Stunden weiter nitriert werden, bis es vollständig in Siliziumnitrid umgewandelt ist. Produkte, die auf diese Weise hergestellt werden, weisen präzise Abmessungen und ein stabiles Volumen auf. Beim Heißpresssintern wird Siliziumnitridpulver mit geringen Mengen an Additiven (wie z. B. MgO, Al) verpresst.₂DER₃, MgF₂, AlF₃oder Fe₂DER₃) unter Druckbedingungen von über 19,6 MPa und bei Temperaturen zwischen 1600 und 1700 °C. Im Allgemeinen weisen Produkte, die durch Heißpresssintern hergestellt werden, eine höhere Dichte und bessere Eigenschaften auf als solche, die durch reaktives Sintern hergestellt werden.

• Die Vorteile von Siliziumnitridkeramik:

a. Hitzebeständigkeit unter Normaldruck, Si₃N₄ hat keinen Schmelzpunkt, zersetzt sich direkt bei etwa 1870°C, ist oxidationsbeständig bis 1400°C und kann bis 1200°C eingesetzt werden (die mechanische Festigkeit nimmt nach 1200°C ab).
b. Hohe mechanische Festigkeit, Härte ähnlich der von Korund, selbstschmierend und verschleißfest. Die Biegefestigkeit bei Raumtemperatur kann bis zu 980 MPa betragen und ist damit mit legiertem Stahl vergleichbar. Die Festigkeit bleibt bis 1200 °C ohne Abnahme erhalten.
c. Hohe thermische Stabilität, kleiner Wärmeausdehnungskoeffizient, hohe Wärmeleitfähigkeit, gute Temperaturwechselbeständigkeit, Temperaturwechsel von Raumtemperatur bis 1000°C führen nicht zu Rissen.
d. Stabile chemische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit; mit Ausnahme von Fluorwasserstoffsäure reagiert es nicht mit anderen anorganischen Säuren. Auch Natronlauge (NaOH) mit einer Konzentration unter 30 % widersteht der Erosion vieler organischer Substanzen. Es benetzt verschiedene Nichteisenmetallschmelzen (insbesondere flüssiges Aluminium) nicht und ist beständig gegen starke Strahlung. In trockener Atmosphäre reagiert es bei 800 °C nicht mit Sauerstoff und bildet oberhalb von 800 °C einen Siliziumoxidfilm auf der Oberfläche. Es ist bis 1400 °C im Wesentlichen stabil.
e. Niedrige Dichte, geringes spezifisches Gewicht, nur 2/5 von Stahl, gute elektrische Isolierung.
f. Siliziumnitridkeramiken weisen außerdem gute Mikrowellenübertragungseigenschaften, dielektrische Eigenschaften und eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen auf und können als Radarradome für Flugzeuge eingesetzt werden.

2. Die Anwendung von Siliziumnitridkeramik

• Luft- und Raumfahrt: Siliziumnitridkeramik ist hitzebeständig und behält auch bei 1400 °C ihre hohe Festigkeit und Steifigkeit. Verstärkte Keramiken mit Endlosfaserverstärkung eignen sich für Turbinenkomponenten, insbesondere für Keramikschaufeln kleiner Triebwerke, Turbinenaußenringe und Luftlager. Darüber hinaus weist Siliziumnitridkeramik eine geringere Dichte auf (nur 41 % der Dichte von Stahllagern), wodurch das Gewicht von Flugzeugtriebwerken effektiv reduziert und der Treibstoffverbrauch gesenkt wird.

• Maschinenbau: Siliziumnitridkeramik zeichnet sich durch einen geringen Reibungskoeffizienten, Selbstschmierung, hohe Festigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine geringe Volumenänderung bei Temperaturabhängigkeit aus. Sie verhindert effektiv das Festfressen von Kugeln und Dichtungsringen, ist beständig gegen raue Umgebungsbedingungen und eignet sich für Kugelventile, Pumpengehäuse, Dichtungsringe, Filter, Wärmetauscherteile, Träger für immobilisierte Katalysatoren usw. Die Lebensdauer der Lagerkugeln ist höher als bei herkömmlichen Lagern, allerdings sind die Produktionskosten vergleichsweise hoch. Siliziumnitrid besitzt einen geringen Reibungskoeffizienten und wird in Hochtemperaturlagern eingesetzt. Die Betriebstemperatur kann bis zu 1200 °C erreichen, was dem 2,5-Fachen der Temperatur herkömmlicher Legierungslager entspricht. Die Betriebsgeschwindigkeit ist 10-mal höher. Siliziumnitridkeramiklager werden derzeit hauptsächlich in vier Bereichen eingesetzt: (1) Hochgeschwindigkeitslager, (2) Hochtemperaturlager, (3) Vakuumlager und (4) Korrosionslager.
• Ultrafeinvermahlung: Siliziumnitrid besitzt eine hohe Härte, die nur von Diamant und kubischem Bornitrid übertroffen wird. Dank seines sehr geringen Verbrauchs reduziert es den Verschleiß des Mahlmediums und die Verunreinigung des Schleifmittels, was die Gewinnung hochreiner Ultrafeinpulver begünstigt. Siliziumnitrid-Keramikkugeln sind Präzisionskeramikprodukte, die bei hohen Temperaturen in einer nicht oxidierenden Umgebung gesintert werden. Sie sind säure- und laugenbeständig, korrosionsbeständig und eignen sich nicht nur für den Langzeiteinsatz in Meerwasser, sondern bieten auch hervorragende Isolations- und Selbstschmiereigenschaften. Dadurch können sie in Umgebungen ohne Schmiermittel und mit hoher Verschmutzung eingesetzt werden. Bei 800 °C bleiben Festigkeit und Härte der Siliziumnitrid-Keramikkugeln nahezu unverändert, und ihr Gewicht beträgt nur etwa ein Drittel des Gewichts von Wälzlagerstahl. Daher sind Siliziumnitrid-Keramikkugeln nicht nur die bevorzugten Kugeln für Keramik- und Hybridkeramiklager, sondern spielen auch eine wichtige Rolle im Bereich der Ultrafeinvermahlung.
• Werkstoffe in Verbrennungsmotoren für Automobile: Derzeit werden die hitzebeständigen Teile von Verbrennungsmotoren aus nickelbasierten Werkstoffen gefertigt, deren Betriebstemperatur bei etwa 1000 °C liegt. Durch den Einsatz von Keramikwerkstoffen lässt sich die Betriebstemperatur auf 1300 °C erhöhen, wodurch die Motoreffizienz um etwa 30 % gesteigert wird. Keramik zeichnet sich durch hohe Hochtemperaturfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus, was die Lebensdauer des Motors verlängert. Siliziumnitrid-Keramik, die sich durch gute elektrische Isolation und hohe Kälte- und Hitzebeständigkeit auszeichnet, eignet sich für die Herstellung von Glühkerzen. Diese Glühkerzen erreichen Temperaturen von 1000 °C schneller als Metallglühkerzen. Durch die hohe Betriebstemperatur verkürzt sich die Startzeit des Motors erheblich, insbesondere bei Kälte.