Ein Überblick über 9 Sintertechniken für Siliziumkarbidkeramik

Siliziumkarbid (SiC), eine herausragende Strukturkeramik, ist für ihre außergewöhnlichen Eigenschaften bekannt, darunter Hochtemperaturfestigkeit, Härte, Elastizitätsmodul, Verschleißfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet es sich für ein breites Anwendungsspektrum, von traditionellen industriellen Anwendungen in Hochtemperatur-Brennhilfsmitteln, Brennerdüsen, Wärmetauschern, Dichtungsringen und Gleitlagern bis hin zu fortschrittlichen Anwendungen wie ballistischen Panzerungen, Weltraumspiegeln, Halbleiter-Wafer-Chucks, und Kernbrennstoffhüllen.

Der Sinterprozess ist entscheidend für die endgültigen Eigenschaften vonSiC-Keramik. Umfangreiche Forschung hat zur Entwicklung verschiedener Sintertechniken geführt, die von etablierten Methoden wie Reaktionssintern, drucklosem Sintern, Rekristallisationssintern und Heißpressen bis hin zu neueren Innovationen wie Spark-Plasma-Sintern, Flash-Sintern und Oszillationsdrucksintern reichen.

Hier ist ein genauerer Blick auf neun ProminenteSiC-KeramikSintertechniken:

1. Heißpressen:

Pionierarbeit geleistet von Alliegro et al. Bei der Norton Company umfasst das Heißpressen die gleichzeitige Anwendung von Hitze und Druck auf ein WerkstückSiC-Pulverkompakt innerhalb einer Matrize. Dieses Verfahren ermöglicht eine gleichzeitige Verdichtung und Formgebung. Das Heißpressen ist zwar effektiv, erfordert jedoch eine komplexe Ausrüstung, spezielle Matrizen und eine strenge Prozesskontrolle. Zu den Einschränkungen gehören ein hoher Energieverbrauch, eine begrenzte Formkomplexität und hohe Produktionskosten.

2. Reaktionssintern:

Das Reaktionssintern wurde erstmals in den 1950er Jahren von P. Popper vorgeschlagen und beinhaltet MischenSiC-Pulvermit einer Kohlenstoffquelle. Der durch Schlickerguss, Trockenpressen oder kaltisostatisches Pressen geformte Grünkörper wird einem Siliziuminfiltrationsprozess unterzogen. Durch Erhitzen auf über 1500 °C im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre schmilzt das Silizium, das durch Kapillarwirkung in den porösen Körper eindringt. Das flüssige oder gasförmige Silizium reagiert mit Kohlenstoff und bildet in situ β-SiC, das sich mit vorhandenen SiC-Partikeln verbindet, was zu einer dichten Keramik führt.

Reaktionsgebundenes SiC zeichnet sich durch niedrige Sintertemperaturen, Kosteneffizienz und hohe Verdichtung aus. Aufgrund der vernachlässigbaren Schrumpfung beim Sintern eignet es sich besonders für große, komplex geformte Bauteile. Zu den typischen Anwendungen gehören Hochtemperatur-Brennhilfsmittel, Strahlungsrohre, Wärmetauscher und Entschwefelungsdüsen.

Semicorex-Prozessroute des RBSiC-Bootes

3. Druckloses Sintern:

Entwickelt von S. Prochazka et al. Bei GE im Jahr 1974 macht das drucklose Sintern die Notwendigkeit eines externen Drucks überflüssig. Die Verdichtung erfolgt bei 2000–2150 °C unter Atmosphärendruck (1,01×105 Pa) in einer inerten Atmosphäre mit Hilfe von Sinteradditiven. Druckloses Sintern kann weiter in Festkörper- und Flüssigphasensintern unterteilt werden.

Durch druckloses Sintern im Festkörper werden hohe Dichten (3,10–3,15 g/cm3) ohne intergranulare Glasphasen erreicht, was zu außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen führt, wobei die Einsatztemperaturen 1600 °C erreichen. Ein übermäßiges Kornwachstum bei hohen Sintertemperaturen kann sich jedoch negativ auf die Festigkeit auswirken.

Das drucklose Sintern in der Flüssigphase erweitert den Anwendungsbereich von SiC-Keramik. Die flüssige Phase, die durch das Schmelzen einer einzelnen Komponente oder die eutektische Reaktion mehrerer Komponenten entsteht, verbessert die Verdichtungskinetik, indem sie einen Pfad mit hoher Diffusionsfähigkeit bereitstellt, was zu niedrigeren Sintertemperaturen im Vergleich zum Sintern im festen Zustand führt. Die feine Korngröße und die verbleibende intergranulare Flüssigphase in flüssigphasengesintertem SiC fördern den Übergang vom transgranularen zum intergranularen Bruch und erhöhen so die Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit.

Druckloses Sintern ist eine ausgereifte Technologie mit Vorteilen wie Kosteneffizienz und Formvielfalt. Insbesondere festkörpergesintertes SiC bietet eine hohe Dichte, eine gleichmäßige Mikrostruktur und eine hervorragende Gesamtleistung und eignet sich daher für verschleiß- und korrosionsbeständige Komponenten wie Dichtungsringe und Gleitlager.

Drucklos gesinterte Siliziumkarbid-Panzerung

4. Rekristallisationssintern:

In den 1980er Jahren demonstrierte Kriegesmann die Herstellung von Hochleistungs-RekristallisatenSiC-Keramikdurch Schlickerguss und anschließendes Sintern bei 2450 °C. Diese Technik wurde schnell von FCT (Deutschland) und Norton (USA) für die Großserienproduktion übernommen.

Bei rekristallisiertem SiC wird ein Grünkörper gesintert, der aus SiC-Partikeln unterschiedlicher Größe besteht. Feine Partikel, die gleichmäßig in den Zwischenräumen gröberer Partikel verteilt sind, verdampfen und kondensieren an den Kontaktpunkten größerer Partikel bei Temperaturen über 2100 °C unter kontrollierter Atmosphäre. Dieser Verdampfungs-Kondensations-Mechanismus bildet neue Korngrenzen an den Partikelhälsen, was zu Kornwachstum, Halsbildung und einem Sinterkörper mit Restporosität führt.

Zu den Hauptmerkmalen von rekristallisiertem SiC gehören:

Minimale Schrumpfung: Das Fehlen einer Korngrenze oder Volumendiffusion während des Sinterns führt zu einer vernachlässigbaren Schrumpfung.

Near-Net-Shaping: Die Sinterdichte bleibt nahezu identisch mit der Grünkörperdichte.

Saubere Korngrenzen: Rekristallisiertes SiC weist saubere Korngrenzen ohne Glasphasen oder Verunreinigungen auf.

Restporosität: Der Sinterkörper behält typischerweise 10–20 % Porosität.

5. Heißisostatisches Pressen (HIP):

HIP nutzt den Druck eines Inertgases (normalerweise Argon), um die Verdichtung zu verbessern. Der in einem Glas- oder Metallbehälter versiegelte SiC-Pulverpressling wird in einem Ofen einem isostatischen Druck ausgesetzt. Während die Temperatur bis in den Sinterbereich ansteigt, hält ein Kompressor einen anfänglichen Gasdruck von mehreren Megapascal aufrecht. Dieser Druck steigt während des Erhitzens zunehmend an und erreicht bis zu 200 MPa, wodurch interne Poren wirksam beseitigt und eine hohe Dichte erreicht wird.

6. Spark-Plasma-Sintern (SPS):

SPS ist eine neuartige Pulvermetallurgietechnik zur Herstellung dichter Materialien, darunter Metalle, Keramik und Verbundwerkstoffe. Dabei werden hochenergetische elektrische Impulse eingesetzt, um einen gepulsten elektrischen Strom und ein Funkenplasma zwischen Pulverpartikeln zu erzeugen. Diese lokale Erwärmung und Plasmaerzeugung erfolgt bei relativ niedrigen Temperaturen und kurzer Dauer und ermöglicht ein schnelles Sintern. Der Prozess entfernt effektiv Oberflächenverunreinigungen, aktiviert Partikeloberflächen und fördert eine schnelle Verdichtung. SPS wurde erfolgreich zur Herstellung dichter SiC-Keramiken unter Verwendung von Al2O3 und Y2O3 als Sinterhilfsmitteln eingesetzt.

7. Mikrowellensintern:

Im Gegensatz zum herkömmlichen Erhitzen nutzt das Mikrowellensintern den dielektrischen Verlust von Materialien in einem elektromagnetischen Mikrowellenfeld, um eine volumetrische Erwärmung und Sinterung zu erreichen. Diese Methode bietet Vorteile wie niedrigere Sintertemperaturen, schnellere Aufheizraten und eine verbesserte Verdichtung. Der erhöhte Stofftransport beim Mikrowellensintern begünstigt zudem feinkörnige Mikrostrukturen.

8. Flash-Sintern:

Flash-Sintern (FS) hat aufgrund seines geringen Energieverbrauchs und seiner ultraschnellen Sinterkinetik Aufmerksamkeit erregt. Der Prozess beinhaltet das Anlegen einer Spannung an einen Grünkörper in einem Ofen. Bei Erreichen einer Schwellentemperatur erzeugt ein plötzlicher nichtlinearer Anstieg des Stroms eine schnelle Joule-Erwärmung, die innerhalb von Sekunden zu einer nahezu augenblicklichen Verdichtung führt.

9. Oszillationsdrucksintern (OPS):

Durch die Einwirkung von dynamischem Druck während des Sinterns wird die Verzahnung und Agglomeration der Partikel gestört, wodurch die Porengröße und -verteilung verringert wird. Dadurch entstehen hochdichte, feinkörnige und homogene Mikrostrukturen, die zu hochfesten und zuverlässigen Keramiken führen. OPS wurde von Xie Zhipengs Team an der Tsinghua-Universität entwickelt und ersetzt den konstanten statischen Druck beim konventionellen Sintern durch dynamischen Oszillationsdruck.

OPS bietet mehrere Vorteile:

Erhöhte Gründichte: Kontinuierlicher Oszillationsdruck fördert die Neuanordnung der Partikel und erhöht die Gründichte des Pulverpresskörpers deutlich.

Erhöhte Antriebskraft beim Sintern: OPS bietet eine größere Antriebskraft für die Verdichtung und verbessert die Kornrotation, das Gleiten und den plastischen Fluss. Dies ist besonders in den späteren Stadien des Sinterns von Vorteil, wo kontrollierte Oszillationsfrequenz und -amplitude effektiv verbleibende Poren an den Korngrenzen beseitigen.

Foto einer Oszillationsdrucksinteranlage

Vergleich gängiger Techniken:

Unter diesen Techniken werden Reaktionssintern, druckloses Sintern und Rekristallisationssintern häufig für die industrielle SiC-Produktion eingesetzt, jede mit einzigartigen Vorteilen, die zu unterschiedlichen Mikrostrukturen, Eigenschaften und Anwendungen führen.

Reaktionsgebundenes SiC:Bietet niedrige Sintertemperaturen, Kosteneffizienz, minimale Schrumpfung und hohe Verdichtung und eignet sich daher für große, komplex geformte Komponenten. Typische Anwendungen sind Hochtemperatur-Brennhilfsmittel, Brennerdüsen, Wärmetauscher und optische Reflektoren.

Drucklos gesintertes SiC:Bietet Kosteneffizienz, Formvielfalt, hohe Dichte, gleichmäßige Mikrostruktur und hervorragende Gesamteigenschaften und eignet sich daher ideal für Präzisionskomponenten wie Dichtungen, Gleitlager, ballistische Panzerung, optische Reflektoren und Halbleiter-Wafer-Chucks.

Rekristallisiertes SiC:Verfügt über reine SiC-Phasen, hohe Reinheit, hohe Porosität, hervorragende Wärmeleitfähigkeit und Thermoschockbeständigkeit und eignet sich daher für Hochtemperatur-Brennhilfsmittel, Wärmetauscher und Brennerdüsen.**

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