Sintern von Siliziumkarbidkeramik
Siliziumkarbid (SiC)Keramiken nehmen aufgrund ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, ihrer hohen Härte und ihrer ausgezeichneten thermischen und chemischen Stabilität eine bedeutende Stellung unter den Hochtemperatur-Strukturkeramiken ein. Sie werden häufig in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Kernenergie, militärischen Anwendungen und der Halbleiterindustrie eingesetzt.
Aufgrund der starken kovalenten Bindung und des niedrigen Diffusionskoeffizienten von SiC ist es schwierig, eine vollständige Verdichtung von SiC-Keramiken zu erreichen. Um dieses Problem zu lösen, wurden verschiedene Sintertechniken für SiC-Keramiken entwickelt, darunter Reaktionsbindung, druckloses Sintern, Heißpressen und Rekristallisationssintern. Jede dieser Techniken hat einzigartige Vorteile, was zu SiC-Keramiken mit unterschiedlichen Mikrostrukturen, Eigenschaften und Anwendungen führt. Aber können Sie zwischen diesen verschiedenen Arten von Siliziumkarbidkeramiken unterscheiden?
Drucklos gesinterte SiC-Keramik (SSiC)
Beim drucklosen Sintern von Siliziumkarbid erfolgt die Verdichtung bei hohen Temperaturen ohne Anwendung von äußerem Druck, oft unter Schutzgas, durch Zugabe geeigneter Sinterhilfsmittel. Diese Technik ist ausgereift und bietet niedrige Produktionskosten und keine Einschränkungen hinsichtlich der Form oder Größe der Produkte. Insbesondere drucklos gesinterte SiC-Keramiken, die durch Festkörpersintern hergestellt werden, zeichnen sich durch hohe Dichte, gleichmäßige Mikrostruktur und hervorragende Gesamteigenschaften aus.
Druckloses Sintern wird weiter unterteilt inFestkörpersinternUndFlüssigphasensintern:
1. Im Festkörper gesintertes SiC bietet eine hohe Dichte, hohe Reinheit, eine einzigartig hohe Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit. Es eignet sich besonders für die Herstellung großer, komplex geformter Keramikkomponenten.
2. Das Flüssigphasensintern, das Anfang der 1990er Jahre vom US-Wissenschaftler Muua MA entwickelt wurde, verwendet Y₂O₃-Al₂O₃ als primäre Sinterzusätze. Diese Methode ermöglicht niedrigere Sintertemperaturen und erzeugt Keramik mit feineren Körnern.
In der Praxis ist druckloses Sintern unkompliziert, kostengünstig und ideal für die Massenproduktion von Keramikkomponenten in verschiedenen Formen. Es wird häufig für verschleißfeste und korrosionsbeständige Dichtungsringe, Gleitlager und mehr verwendet. Darüber hinaus werden drucklos gesinterte SiC-Keramiken aufgrund ihrer hohen Härte, geringen Dichte, hervorragenden ballistischen Leistung und Fähigkeit, bei Bruch Energie zu absorbieren, häufig für ballistische Panzerungen, einschließlich Fahrzeug- und Schiffsschutz, sowie für zivile Tresore und gepanzerte Geldtransportfahrzeuge eingesetzt.
Reaktionsgebundene SiC-Keramik (SiSiC)
Reaktionsgebundenes Siliziumkarbid ist eine attraktive Strukturkeramik mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften wie hoher Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Es bietet außerdem die Vorteile einer niedrigen Sintertemperatur, niedriger Kosten und einer nahezu endkonturnahen Formgebung.
Beim Reaktionsbindungsverfahren werden Kohlenstoffquellen mit SiC-Pulvern vermischt, um einen Grünkörper herzustellen. Bei hohen Temperaturen dringt geschmolzenes Silizium durch Kapillarwirkung in den porösen Körper ein und reagiert mit der Kohlenstoffquelle im Inneren zu β-SiC, das eine enge Verbindung mit dem ursprünglichen α-SiC eingeht. Restporen werden mit flüssigem Silizium gefüllt, wodurch eine Verdichtung erreicht wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine nahezu endkonturnahe Formgebung und damit die Herstellung komplex geformter Produkte.
Zu den Anwendungsgebieten reaktionsgebundener SiC-Keramiken gehören Hochtemperatur-Ofenkomponenten, Strahlungsrohre, Wärmetauscher und Entschwefelungsdüsen. Darüber hinaus ist reaktionsgebundenes SiC aufgrund seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, seines hohen Elastizitätsmoduls und seiner Fähigkeit, nahezu die endgültige Form zu erhalten, ein ideales Material für Weltraumspiegel. Mit zunehmenden Wafergrößen und höheren Wärmebehandlungstemperaturen ersetzt reaktionsgebundenes SiC nach und nach Quarzglas.
Heißgepresste SiC-Keramik (HP-SiC)
Heißpressen ist ein Sinterverfahren, bei dem gleichzeitig hohe Temperaturen und Druck angewendet werden. Getrocknete SiC-Pulver werden in hochfeste Graphitformen gefüllt, und unter Hitze und Druck finden gleichzeitig Verdichtung und Formgebung statt.
Der gleichzeitige Heiz- und Pressvorgang fördert Partikelkontakt, Diffusion und Massentransfer im Material und ermöglicht die Herstellung feinkörniger, hochdichter SiC-Keramiken mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei niedrigeren Temperaturen und kürzeren Sinterzeiten. Heißgepresste SiC-Keramiken können eine vollständige Verdichtung erreichen und nähern sich den Bedingungen reiner Sinterung an. Zu den Hauptanwendungen zählen verschleißfeste Komponenten und Komponenten für die Nuklearindustrie.
Rekristallisierte SiC-Keramik (R-SiC)
Rekristallisierte SiC-Keramiken werden durch Mischen von grobem und feinem SiC-Pulver in bestimmten Proportionen hergestellt, gefolgt vom Sintern von Grünkörpern bei hohen Temperaturen unter einer inerten Atmosphäre. Während dieses Prozesses verdampfen feine Partikel in eine Gasphase und kondensieren an den Kontaktpunkten grober Partikel, wodurch R-SiC-Keramiken entstehen. Dieses Verfahren, das keine Sinterzusätze erfordert, wird häufig zur Herstellung von hochreinen, großen SiC-Komponenten verwendet.
R-SiC wird bei hohen Temperaturen gebildet und ist härter als Diamant. Es weist viele der hervorragenden Eigenschaften von SiC auf, wie hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, hervorragende Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Thermoschockbeständigkeit. Daher ist es ideal für Hochtemperaturofenkomponenten, Wärmetauscher und Brennerdüsen. In der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich wird rekristallisiertes SiC zur Herstellung struktureller Flugzeugkomponenten wie Triebwerke, Heckflossen und Flugzeugrümpfe verwendet. Seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Schlagfestigkeit verbessern die Leistung und Lebensdauer von Luft- und Raumfahrzeugen erheblich.
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