Warum sollte man sich für das drucklose Sintern zur Herstellung von SiC-Keramiken entscheiden?

SiCKeramiken zeichnen sich durch hohe Härte, hohe Festigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus und finden breite Anwendung in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Petrochemie und integrierten Schaltungen. Siliciumcarbid Bei den Produkten handelt es sich um hochwertige Produkte mit breiten Marktperspektiven. Sie haben in vielen Ländern große Beachtung gefunden und stehen seit jeher im Mittelpunkt der Forschung auf dem Gebiet der Materialwissenschaften.

1. Sinterprozess: Reaktives Sintern vs. druckloses Sintern

Siliciumcarbid (SiC) ist eine Verbindung mit starken kovalenten Bindungen, die dem Material Eigenschaften wie hohe Härte, hohe Festigkeit, einen hohen Schmelzpunkt und Korrosionsbeständigkeit verleihen. Diese Strukturmerkmale führen jedoch zu einer geringeren Diffusionsrate beim Sintern und beeinträchtigen somit die Verdichtung des Materials. Daher sind Methoden wie die Verwendung von Sinteradditiven und externem Druck notwendig, um eine Verdichtung zu erreichen. In der Forschung und industriellen Anwendung von reaktionsgesintertem und drucklos gesintertem Siliciumcarbid wurden in letzter Zeit bedeutende Fortschritte erzielt. Das Reaktionssinterverfahren für Siliciumcarbid ist ein Sinterverfahren zur Herstellung von Bauteilen in nahezu endgültiger Form. Es zeichnet sich durch minimale Schrumpfung und Dimensionsabweichung während des Sinterns aus und bietet Vorteile wie niedrige Sintertemperaturen, dichte Produktstrukturen und geringe Produktionskosten. Dadurch eignet es sich zur Herstellung großer und komplex geformter Siliciumcarbid-Bauteile. Hartmetallkeramik Zu den Nachteilen des Verfahrens zählen jedoch ein komplexer Vorbehandlungsprozess des Grünlings und Verunreinigungen in den Nebenprodukten. Darüber hinaus wird der nutzbare Temperaturbereich von reaktionsgesinterten SiC-Keramiken durch den Gehalt an freiem Silizium im Material beeinflusst; oberhalb von 1400 °C nimmt die Festigkeit des Materials aufgrund des Schmelzens des freien Siliziums rapide ab.

Die drucklose Sintertechnologie von SiC ist mittlerweile sehr ausgereift. Ihre Vorteile liegen in der Möglichkeit, verschiedene Formgebungsverfahren anzuwenden und so Einschränkungen hinsichtlich Produktform und -größe zu überwinden. Durch den gezielten Einsatz von Additiven lassen sich höhere Festigkeit und Zähigkeit erzielen. Darüber hinaus ist das drucklose Sinterverfahren von SiC unkompliziert und eignet sich für die Massenproduktion von Keramikbauteilen unterschiedlicher Formen. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass das drucklos gesinterte SiC-Pulver teurer ist als reaktionsgesintertes SiC, was zu höheren Fertigungskosten führt.

Das drucklose Sinterverfahren lässt sich im Wesentlichen in zwei Typen unterteilen: Festphasensintern und Flüssigphasensintern. Reaktionsgesinterte Siliciumcarbidkeramiken weisen im Vergleich zu drucklos festphasengesintertem Siliciumcarbid eine geringere Hochtemperaturstabilität auf, insbesondere oberhalb von 1400 °C. Hierbei sinkt die Biegefestigkeit der Siliciumcarbidkeramiken rapide, und sie sind nicht beständig gegenüber starken Säuren und Basen. Im Gegensatz dazu zeigen Siliciumcarbidkeramiken, die durch druckloses Festphasensintern hergestellt werden, deutlich bessere mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen sowie eine höhere Korrosionsbeständigkeit gegenüber starken Säuren und Basen als reaktionsgesintertes Siliciumcarbid.

Forschung zum drucklosen Sinterprozess

• Festkörpersintern

Festphasengesinterte SiC-Keramiken sind für hohe Temperaturen geeignet, weisen aber stabile physikalische und chemische Eigenschaften auf; insbesondere ihre Festigkeit bleibt bei erhöhten Temperaturen konstant, was ihnen einen einzigartigen Anwendungswert verleiht. Bei der Zugabe von Bor (B) und Kohlenstoff (C) zu SiC lagert sich B an den Korngrenzen an, wobei ein Teil des B Kohlenstoff (C) im SiC ersetzt und eine feste Lösung bildet. Gleichzeitig reagiert C mit dem SiO₂ auf der SiC-Oberfläche und mit Siliziumverunreinigungen. Diese Reaktionen reduzieren die Korngrenzenenergie von SiC und erhöhen die Oberflächenenergie, wodurch die Sintertriebkraft gesteigert und die Sinterverdichtung gefördert wird. Seit den 1990er Jahren findet das Verfahren zur Herstellung von drucklos gesintertem SiC unter Verwendung von B und C als Additive breite Anwendung in verschiedenen Industriezweigen.

Vorteile: Abgesehen von einer geringen Menge an Restkohlenstoff gibt es keine Sekundärphase oder Glasphase an den Korngrenzen, die Grenzen sind sauber, und das Hochtemperaturverhalten ist ausgezeichnet; es bleibt bis 1600°C stabil, ohne dass sich die Eigenschaften wesentlich verändern.

Nachteile: Eine vollständige Dichte kann nicht erreicht werden; typischerweise befinden sich einige geschlossene Poren an den dreieckigen Korngrenzen, und bei hohen Temperaturen kann es leicht zu Kornwachstum kommen.

• Flüssigphasensintern

Die Menge an Sinterhilfsmitteln, die beim Flüssigphasensintern zugesetzt werden, beträgt üblicherweise einige Prozent, und nach Abschluss des Sinterprozesses findet sich noch eine beträchtliche Menge an Oxiden in der intergranularen Phase. Daher ist der Bruchmodus von flüssigphasengesintertem Siliciumcarbid (SiC) typischerweise intergranular, was auf eine hohe Festigkeit und Bruchzähigkeit hinweist. Gleichzeitig senkt die während des Sinterprozesses gebildete flüssige Phase im Vergleich zum Festphasensintern die Sintertemperatur effektiv.

Der Al₂DER₃-UND₂DER₃ Dieses System zählt zu den ersten untersuchten und gilt als das attraktivste System für Flüssigphasen-Sinteradditive in SiC-Keramiken. Es ermöglicht das Verdichtungssintern von SiC-Keramiken bei niedrigeren Temperaturen.

1. Die Proben wurden einer vergrabenen Verbrennung unter Verwendung eines Pulverbettes mit Aluminium unterzogen.₂DER₃, UND₂DER₃und MgO. Beobachtungen ergaben, dass MgO mit dem SiO2 auf der Oberfläche der SiC-Partikel reagierte und eine flüssige Phase bildete, welche die Sinterverdichtung durch Partikelumlagerung und Flüssigkeitswiederablagerungsprozesse erleichterte.
2. Al₂DER₃, UND₂DER₃Al und CaO wurden als Additive für das drucklose Sintern von SiC-Keramiken verwendet. In SiC-Materialien mit unterschiedlichem CaO-Gehalt wurde das Al₅UND₃DER₁₂ Es bildete sich eine Phase. Mit steigendem CaO-Gehalt nahm auch die CaY-Phase zu.₂DER₄ Im Material bildete sich auch eine Oxidphase. Die flüssigen Phasen von CaY₂DER₄ und Al₅UND₃DER₁₂ Es wurden schnelle Permeationswege an den Korngrenzen geschaffen, wodurch die Sintereigenschaften des Materials verbessert wurden.

Zusammenfassung

Additive können die Dichte drucklos gesinterter SiC-Keramiken erhöhen, die Sintertemperatur senken, die Mikrostruktur des Materials verändern und seine mechanischen Eigenschaften verbessern. Dank kontinuierlicher, intensiver Forschung an Additivsystemen haben sich diese von Einkomponenten- zu Mehrkomponentensystemen weiterentwickelt. In einem Mehrkomponentensystem trägt jede Komponente auf ihre Weise zur Verbesserung der Eigenschaften von SiC-Keramiken bei; die Verwendung von Additiven bringt jedoch auch einige nennenswerte Nachteile mit sich. Die Reaktionen zwischen Additiven und SiC können gasförmige Nebenprodukte wie Al₂O₃ oder CO erzeugen, was zu einer erhöhten Porosität des Materials führt. Ein zentraler Forschungsschwerpunkt der zukünftigen Flüssigphasensintertechnologie für SiC-Keramiken wird daher die Reduzierung der Porosität und die Eliminierung des Einflusses von Additiven auf den Gewichtsverlust des Materials sein.