Der Ursprung und die Entwicklung von Siliziumnitridkeramiken
SSiliziumnitrid (Si3N4)ist eine kovalente Verbindung aus Silizium und Stickstoff, die 1857 entdeckt wurde. In ihren Anfängen waren einige Wissenschaftler, insbesondere in Deutschland, nicht vollständig von ihrer chemischen Zusammensetzung überzeugt. Umfangreiche Untersuchungen bestätigten jedoch später die Richtigkeit dieser bis heute häufig zitierten chemischen Formel. Dennoch fanden Siliziumnitridmaterialien mehr als ein Jahrhundert nach ihrer Entdeckung keine weit verbreitete Anwendung.
Die keramische Form von Siliziumnitridwurde erstmals im Vereinigten Königreich entwickelt. Dieses Keramikmaterial wurde erstmals 1955 hergestellt und hauptsächlich für Thermoelementrohre, Schmelztiegel und Raketendüsen verwendet. Diese Art von Material wird hergestellt, indem metallisches Siliziumpulver in Form gepresst und anschließend durch Erhitzen und Aussetzen von Stickstoffgas nitriert wird, was später als reaktionsgebundenes Siliziumnitrid bezeichnet wird. Da reaktionsgebundenes Siliziumnitrid eine Porosität von etwa 25 % aufweist, fehlte ihm die hohe Dichte, die erforderlich ist, um die überlegenen Festigkeits- und Härteeigenschaften von Siliziumnitridmaterialien aufzuweisen.
Im Jahr 1960 veröffentlichten Parr, Martin, May und andere einen umfassenden Überblick über die Eigenschaften und die Struktur von reaktionsgebundenem Siliziumnitrid und skizzierten die von ihnen entwickelten Techniken. Diese Techniken stellten eine wesentliche technische Unterstützung für die spätere Entwicklung von Siliziumnitridkeramiken dar.
In den 1970er Jahren initiierten die Vereinigten Staaten ein groß angelegtes Programm zur Entwicklung von Siliziumnitridmaterialien. Das US-Verteidigungsministerium startete 1971 in Zusammenarbeit mit der Ford Motor Company und der Westinghouse Electric Corporation ein fünfjähriges Entwicklungsprojekt. Ziel des Projekts war es, die Machbarkeit der Verwendung von Siliziumnitrid als Ersatz für herkömmliche Motormaterialien zu untersuchen und keramische Gasturbinenmotoren zu entwickeln . Zu Beginn des Projekts wurde erkannt, dass das konventionelle Drucksintern auf die Herstellung einfacher Formen aus Siliziumnitrid beschränkt war, während die Komponenten von Gasturbinentriebwerken komplex waren. Daher wäre der Einsatz keramischer Werkstoffe in Motoren nur möglich, wenn der Herstellungsprozess für Siliziumnitridkeramiken verbessert würde.
1976 entdeckten Terwilliger und Lange zufällig, dass Siliziumnitridpulver ohne mechanischen Druck gesintert werden kann. Sie führten Heißpressexperimente an sauerstoffdotiertem Magnesium- und Siliziumnitridpulver bei Temperaturen über dem Normalwert durch. Selbst ohne konventionellen Druck zeigten die Siliziumnitrid-Pulverzylinder immer noch eine deutliche Schrumpfung. Es wurde der Schluss gezogen, dass in dem begrenzten Raum der Graphitform der Verdampfungsverlust von Siliziumnitrid gehemmt wurde, was eine Gesamtverdichtung ermöglichte. Diese Entdeckung markierte einen wichtigen Schritt in der Entwicklung hochdichter Siliziumnitridkeramiken und führte zur Entwicklung von drucklos gesintertem Siliziumnitrid.
Beim Hochtemperatursintern ist die Zersetzung von Siliziumnitrid erheblich und kann durch einfache Pulverpackung nicht wirksam unterdrückt werden. Daher wurde das Drucksintern von Siliziumnitrid entwickelt. Im Jahr 1976 berichtete das japanische Unternehmen Mitomo über Forschungen zum Sintern von Si3N4-Keramik unter 10 atm Stickstoffdruck bei Temperaturen im Bereich von 1450 °C bis 1900 °C. Dies war die früheste Methode zum Drucksintern von Siliziumnitridkeramik.
Die verschiedenen oben genannten Sintertechniken sind das erfolgreiche Ergebnis der unermüdlichen Bemühungen von Generationen von Keramikforschern, sich mit verschiedenen technischen Anwendungen von Siliziumnitridkeramiken zu befassen. In jüngster Zeit haben neue Technologien wie Funkenplasmasintern und Mikrowellensintern neue Möglichkeiten für die Anwendung von Siliziumnitrid eröffnet.
Was die Anwendungen betrifft, ob in Raketen, die ins All fliegen, oder in Autos, die auf Autobahnen rasen, oder in unzerstörbaren Schneidwerkzeugen und robusten künstlichen Knochen,Siliziumnitridkeramiksind zu einem unverzichtbaren Schlüsselwerkstoff in der Industrietechnik, insbesondere in hochtechnologischen Bereichen, geworden. Es stellt eine der Hauptrichtungen in der Entwicklung der modernen Materialwissenschaft dar.
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