Siliziumkarbid-Sintertechnologie
Siliciumcarbid zeichnet sich durch hohe Härte, hohe Festigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit aus und findet breite Anwendung im Maschinenbau, der chemischen Industrie, der Luftfahrt und anderen Bereichen. Mit dem wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt steigen die Anforderungen an die Eigenschaften von Siliciumcarbid stetig. Aufgrund kovalenter Bindungen, geringer Diffusionsfähigkeit und Bruchzähigkeit ist seine Anwendung jedoch begrenzt. Um die Diffusions- und Bruchzähigkeitseigenschaften von Siliciumcarbid zu verbessern, muss das Material bei hohen Temperaturen gesintert werden. Da die hohen Temperaturen jedoch die Anwendungsmöglichkeiten einschränken, bietet sich die Verwendung von Sinteradditiven oder speziellen Verfahren zur Erhöhung der Siliciumcarbiddichte als optimale Lösung an.
1. Sinterung ohne Druck
Das drucklose Sintern lässt sich in Festphasen- und Flüssigphasensintern unterteilen. Beim Festphasensintern werden Sinteradditive benötigt, um die Energie des Siliciumcarbids zu senken und so die Verdichtung zu ermöglichen. Die Zugabe von Sinteradditiven dient hauptsächlich der Reduzierung der Energie des Siliciumcarbids. Kohlenstoff (C), Bor (B) und Aluminium (Al) sind die am häufigsten verwendeten Sinteradditive. Beim Flüssigphasensintern wird üblicherweise eine bestimmte Menge eines Mehrkomponenten-Eutektikums als Sinteradditiv verwendet. Dieses Verfahren wurde aufgrund seiner niedrigen Sintertemperatur intensiv erforscht. Die Anwesenheit der flüssigen Phase beschleunigt den Stofftransport und verkürzt die Sinterzeit und -temperatur. Kompaktlos festphasengesintertes Siliciumcarbid zeichnet sich durch hohe Dichte und Reinheit aus. Es besitzt insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit und lässt sich leicht zu großformatigen und komplex geformten Keramikbauteilen verarbeiten. Aufgrund seiner starken kovalenten Bindungseigenschaften ist die Verdichtung von SIC-Keramiken ohne Sinteradditive jedoch schwierig. Um dichte, hochreine Siliciumcarbidkeramiken zu erhalten, muss der Bor- und Kohlenstoffgehalt minimiert werden.
2. Heißpresssintern
Das Heißpresssintern basiert auf dem drucklosen Sintern. Durch gleichzeitiges Erhitzen und Druckbeaufschlagen des geformten Pulverblocks wird eine höhere Dichte der Pulverpartikel als beim drucklosen Sintern erzielt. Dies erhöht die Bruchzähigkeit und Biegefestigkeit der Keramik, während die Reduzierung von Sinterzeit und -temperatur zu Energieeinsparungen beiträgt. Die Verdichtungsrate des Heißpresssinterns von SiC wird durch die Zugabe von Sinteradditiven deutlich verbessert. Gängige Sinteradditive sind Bor (B), Bor + Kohlenstoff (B+C), Borcarbid (B₄C), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN) usw. Einige Forscher haben festgestellt, dass das Vorhandensein von Carbiden im Sinterkörper die Festigkeit und Zähigkeit des Materials verbessern kann.
3. Heißisostatisches Presssintern
Das Heißisostatische Pressen (HIP) unterscheidet sich vom herkömmlichen Heißpressen vor allem dadurch, dass der Druck nicht mehr einachsig, sondern isostatisch durch ein Inertgas (üblicherweise Argon) mittels eines linearen Schiebers erzeugt wird. Durch die omnidirektionale Druckanwendung lassen sich formnahe Bauteile herstellen, die nur geringe Nachbearbeitung erfordern, und der anwendbare Druckbereich kann um eine Größenordnung erweitert werden. Schneider et al. führten ein Experiment mit mit Borcarbid (B₄C) versetztem Siliciumcarbid durch und erreichten unter folgenden Bedingungen eine vollständige Verdichtung: 207 MPa Druck, 1800 °C Sintertemperatur und 30 Minuten Wärmespeicherung. B₄C wurde hauptsächlich zur Entfernung von Oxiden auf der Oberfläche der Pulverpartikel eingesetzt. Diese Technologie hat aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke der Gase erhöhte Sicherheitsbedenken hervorgerufen, ihre Vorteile haben jedoch zur Einführung großer, komplex geformter Keramikbauteile in der Industrie geführt.
4. Reaktives Sintern
Reaktives Sintern von Siliciumcarbid, auch als gebundenes Siliciumcarbid bekannt, kann die Dichte des Siliciumcarbids und die mechanische Bindung zwischen den Körnern ohne Schrumpfung erhöhen. Einige Forscher führten Reaktionssinterprozesse unter Argonatmosphäre bei 1550 °C und einer Haltezeit von 30 Minuten durch und stellten fest, dass das reaktiv gesinterte Siliciumcarbid eine zweiphasige Struktur aufweist, bestehend aus Siliciumcarbid und freiem Silicium. Die mechanischen Eigenschaften der beiden Phasen unterscheiden sich: Siliciumcarbid ist hart, freies Silicium hingegen relativ weich. Bei hohen Temperaturen wurde eine geringe plastische Verformung beobachtet, die auf das Vorhandensein von freiem Silicium zurückzuführen ist.
5. Mikrowellensintern
Das Mikrowellensintern ist ein in den letzten Jahren entwickeltes Sinterverfahren, das gegenüber traditionellen Verfahren deutliche Vorteile bietet. So kann es die Diffusion beschleunigen, den Energieverbrauch und die Verarbeitungskosten senken, die Aufheizgeschwindigkeit erhöhen und gleichzeitig die Sintertemperatur reduzieren, wodurch die physikalischen und mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Beim Mikrowellensintern absorbiert das Material selbst Mikrowellenenergie, die in Wärme umgewandelt wird. Die Energie wird direkt im Material deponiert, wodurch Energieverluste durch die Erwärmung des Ofens oder der Reaktorwand vermieden werden. Da die Mediumverluste des Sintermaterials zu gering oder zu hoch sind, ist die Anzahl der Materialien, die erfolgreich gesintert werden können, begrenzt.
6. Blitzbelichtung
Das Blitzbrandverfahren ist eine neue Art der Siliziumkarbid-Verdichtungstechnologie. Dabei wird während des Erhitzungsprozesses eine Potentialdifferenz an die Pulverpartikel angelegt, um diese innerhalb weniger Sekunden bei niedriger Temperatur im Ofen zu sintern. Dies verkürzt die Verarbeitungszeit und -temperatur erheblich.
7. Entladungsplasmasintern
Beim Entladungsplasmasintern wird dem Material ein Impulsstrom und Druck zugeführt, wodurch die Sinterung durch eine exotherme Reaktion im Pulver erfolgt. Die Hauptvorteile dieses Verfahrens gegenüber traditionellen Sinterverfahren wie dem drucklosen Sintern oder dem Heißpressen sind die einfache Handhabung, die hohe Aufheizrate und die kurze Sinterzeit, wodurch das Kornwachstum während des Sinterprozesses kontrolliert wird.
8. Oszillierendes Drucksintern
Im Jahr 2014 schlugen Xie et al. erstmals ein neues Sinterverfahren vor – das Oszillationsdrucksintern –, um Keramikwerkstoffe mit hervorragenden Eigenschaften herzustellen. Bei diesem neuen Verfahren wird der bisher übliche konstante statische Druck durch dynamischen, oszillierenden Druck ersetzt, um Keramiken mit hoher Biegefestigkeit, hoher Dichte und feiner Korngröße zu erzeugen. Der oszillierende Druck fördert signifikant das Korngrenzengleiten und das Diffusionskriechen in SIC-Keramiken und beschleunigt die Beseitigung isolierter Poren.
Fountyl Technologies PTE Ltd mit Sitz in Singapur konzentriert sich seit über 10 Jahren auf die Halbleiterindustrie und die Herstellung von Hochleistungskeramikteilen. Das Hauptprodukt sind poröse Siliziumkarbid-Spannfutter (reaktionsgebundene Siliziumkarbid-Spannfutter, reaktionsgebundene SiC-Spannfutter, gesinterte Siliziumkarbid-Spannfutter), die sich in Südostasien und weltweit großer Beliebtheit erfreuen. Kontaktieren Sie uns gerne für weitere Verhandlungen!
