Einführung der wichtigsten Sinterverfahren für technische Keramik
Sintern bezeichnet den Verdichtungsprozess von keramischen Grünkörpern nach der Formgebung. Unter Einwirkung hoher Temperaturen werden Poren geschlossen und das Volumen schrumpft, wodurch ein fester Sinterkörper mit der erwarteten Geometrie entsteht. Der Sinterprozess hat einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung des Materials. Bei der Herstellung verschiedener Arten technischer Keramik und für unterschiedliche Eigenschaftsanforderungen ist es sehr wichtig, ein geeignetes Sinterverfahren auszuwählen.
Zum Sintern technischer Keramik gibt es mehrere Verfahren:
(1) Atmosphärisches Sintern
Das atmosphärische Sintern ist eines der am häufigsten verwendeten Sinterverfahren. Dabei handelt es sich um eine Methode zum Erhitzen und Sintern von Keramikprodukten durch Zugabe geeigneter Sinterhilfsmittel unter atmosphärischem Druck (d. h. während des Sintervorgangs ist kein zusätzlicher Druck erforderlich).
Der Nachteil des atmosphärischen Sinterns besteht darin, dass die Sintertemperatur hoch ist, die Anforderungen an den Ofen ebenfalls hoch sind und viel Energie verschwendet wird.
(2) Heißpresssintern
Heißpresssintern ist ein Sinterverfahren für schwer zu sinterndes Keramikpulver. Keramikpulver wird in dieFormhohlraumund dann unter Pressen aus einer Achsenrichtung erhitzt, d. h. das Formen und Sintern werden gleichzeitig durchgeführt.
Keramikpulver befindet sich während des Sinterprozesses in einem thermoplastischen Zustand, was den Kontakt, die Diffusion und den Fluss der Partikel erleichtert, wodurch der Formdruck geringer ist. Es kann auch die Sintertemperatur senken und die Sinterzeit verkürzen, wodurch das Wachstum von Kristallkörnern verhindert und Keramikteile mit feinen Kristallkörnern und voller Dichte erhalten werden. und gute mechanische und elektrische Eigenschaften. Die Zugabe von Sinter- oder Formhilfsmitteln ist nicht erforderlich und es können Keramikprodukte mit ultrahoher Reinheit hergestellt werden.
Der Nachteil des Heißpresssinterns besteht darin, dass einseitiger Druck angewendet wird, sodass Form und Größe des Produkts durch die Form eingeschränkt werden, die im Allgemeinen zylindrisch oder ringförmig ist. Darüber hinaus führt einseitiger Druck auch zu einer ungleichmäßigen Druckverteilung im Grünkörper, was leicht zu Anisotropie in der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften des keramischen Sinterkörpers führt.
(3) Heißisostatisches Presssintern
Heißisostatisches Presssintern bezeichnet den Prozess des Sinterns und Verdichtens aus Keramikpulver, Grünkörper oder vorgebranntem Körper durch die gemeinsame Wirkung von hoher Temperatur und in alle Richtungen gut ausbalanciertem Hochdruckgas. Es eignet sich zur Herstellung von Produkten mit komplexen Formen und kann die Dichte und Leistung von Produkten verbessern. Die Keramikteile haben nach dem heißisostatischen Presssintern eine gut ausbalancierte Dichte und in alle Richtungen gleiche Eigenschaften.
Das heißisostatische Pressen ist ein Sinterverfahren, das die Vorteile von atmosphärisches Sintern und Heißpresssintern, es kann nicht nur die Dichte wie Heißpresssintern erhöhen, das Wachstum von Körnern hemmen und die Leistung des Produkts verbessern. Darüber hinaus können damit auch Keramikteile mit sehr komplizierten Formen hergestellt werden, wie dieatmosphärischSinterverfahren und Vermeidung der Kornausrichtung nicht-äquiaxialer Kristallprodukte.
(4) Reaktionssintern
Bezieht sich auf die Methode des Sinterns von Keramikmaterialien durch die gegenseitige Reaktion der Gas- oder Flüssigphase mit der Matrix. Die typischsten Produkte sind reaktionsgesinterte Siliziumkarbid- und reaktionsgesinterte Siliziumnitridkeramiken. Der Vorteil dieser Sintermethode besteht darin, dass der Prozess einfach ist, das Produkt leicht oder gar nicht bearbeitet werden kann und auch Produkte mit komplexen Formen hergestellt werden können. Der Nachteil besteht darin, dass nicht umgesetzte Chemikalien im Produkt verbleiben, die Struktur nicht leicht zu kontrollieren ist und ein zu dickes Produkt nicht leicht vollständig gesintert werden kann.
(5) Gasdrucksintern
Gasdrucksintern (GPS) bezeichnet ein Sinterverfahren, bei dem während des Hochtemperatursinterprozesses ein bestimmter Gasdruck angewendet wird, um die Zersetzung und den Gewichtsverlust von Keramikmaterialien bei hohen Temperaturen zu unterdrücken. Dadurch kann die Sintertemperatur erhöht, die Verdichtung des Materials weiter gefördert und hochdichte Keramikprodukte erhalten werden.
Sowohl beim Gasdrucksintern als auch beim heißisostatischen Presssintern wird Gas als Methode zur Druckübertragung verwendet, aber Druck und Druckwirkung sind bei beiden unterschiedlich. Beim HIP-Sintern ist der Gasdruck hoch (100–300 MPa) und die Hauptfunktion besteht darin, die vollständige Verdichtung der Keramik zu fördern. Beim GPS-Sintern ist der angewandte Gasdruck gering (1–10 MPa), was hauptsächlich die thermische Zersetzung von Si3N4 oder anderen nitridbasierten Hochtemperaturmaterialien unterdrückt.
(5) Aufdampfsintern
Das Gasphasenabscheidungssintern kann in die physikalische Gasphasenabscheidung und die chemische Gasphasenabscheidung unterteilt werden. Es gibt zwei physikalische Hauptmethoden: Sputterabscheidung und Verdampfungsabscheidung. Bei der Sputtermethode wird ein flaches Ziel im Vakuum mit einem Elektronenstrahl bombardiert, und die Zielatome werden angeregt und dann auf das Probensubstrat aufgetragen. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung werden Reaktionsgas und Gasgemisch eingeführt, während das Substratmaterial erhitzt wird, und die durch Zersetzung oder Reaktion bei hoher Temperatur erzeugten Materialien werden auf dem Substrat abgelagert, um ein dichtes Material zu bilden.
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