Siliziumkarbid (SiC)-KeramikenAufgrund ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, ihrer hohen Härte und ihrer ausgezeichneten thermischen und chemischen Stabilität haben sie sich zum Kernmaterial im Bereich der Hochtemperatur-Strukturkeramiken entwickelt. Sie finden breite Anwendung in Schlüsselbereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Kernenergie, dem Militär und der Halbleiterindustrie.
Die extrem starken kovalenten Bindungen und der niedrige Diffusionskoeffizient von SiC erschweren jedoch dessen Verdichtung. Daher wurden in der Industrie verschiedene Sintertechnologien entwickelt, und die mit unterschiedlichen Technologien hergestellten SiC-Keramiken weisen signifikante Unterschiede in Mikrostruktur, Eigenschaften und Anwendungsbereichen auf. Im Folgenden werden die Kernmerkmale von fünf gängigen Siliciumcarbid-Keramiken analysiert.
1. Nicht druckgesinterte SiC-Keramiken (S-SiC)
Hauptvorteile: Geeignet für verschiedene Formgebungsverfahren, kostengünstig, keine Einschränkungen hinsichtlich Form und Größe; es ist das einfachste Sinterverfahren für die Massenproduktion. Durch Zugabe von Bor und Kohlenstoff zu β-SiC mit Spuren von Sauerstoff und anschließendes Sintern unter Inertgasatmosphäre bei ca. 2000 °C erhält man einen Sinterkörper mit einer theoretischen Dichte von 98 %. Es gibt zwei Verfahren: Festphasen- und Flüssigphasensintern. Das Festphasensintern zeichnet sich durch höhere Dichte und Reinheit sowie hohe Wärmeleitfähigkeit und Hochtemperaturfestigkeit aus.
Typische Anwendungen: Massenproduktion von verschleiß- und korrosionsbeständigen Dichtungsringen und Gleitlagern; aufgrund seiner hohen Härte, geringen Dichte und guten ballistischen Eigenschaften wird es häufig als kugelsichere Panzerung für Fahrzeuge und Schiffe sowie zum Schutz von Tresoren und Geldtransportfahrzeugen eingesetzt. Seine Mehrfachtrefferfestigkeit ist der von herkömmlicher SiC-Keramik überlegen, und die Bruchlast zylindrischer, leichter Schutzpanzerung kann über 65 Tonnen betragen.
2. Reaktionsgesinterte SiC-Keramiken (RB SiC)
Hauptvorteile: Hervorragende mechanische Eigenschaften, hohe Festigkeit, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit; niedrige Sintertemperatur und geringe Kosten, wodurch die Herstellung von Bauteilen mit nahezu endgültiger Größe ermöglicht wird. Das Verfahren beinhaltet das Mischen einer Kohlenstoffquelle mit SiC-Pulver zur Herstellung eines Rohlings. Bei hohen Temperaturen dringt geschmolzenes Silizium in den Rohling ein und reagiert mit Kohlenstoff zu β-SiC, welches sich mit dem ursprünglichen α-SiC verbindet und die Poren füllt. Die Größenänderung während des Sinterns ist gering, wodurch sich das Verfahren für die industrielle Fertigung komplex geformter Produkte eignet.
Typische Anwendungen: Hochtemperatur-Ofenanlagen, Strahlungsrohre, Wärmetauscher, Entschwefelungsdüsen; Aufgrund seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, seines hohen Elastizitätsmoduls und seiner endformnahen Eigenschaften hat es sich zu einem idealen Material für Weltraumreflektoren entwickelt; Es kann auch Quarzglas als Trägervorrichtung für elektronische Röhren und Halbleiterchip-Herstellungsanlagen ersetzen.
3. Heißgepresste, gesinterte SiC-Keramiken (HP SiC)
Kernvorteil: Durch synchrones Sintern unter hoher Temperatur und hohem Druck befindet sich das Pulver in einem thermoplastischen Zustand, was den Stofftransport begünstigt. So lassen sich Produkte mit feinem Korn, hoher Dichte und guten mechanischen Eigenschaften bei niedrigeren Temperaturen und in kürzerer Zeit herstellen. Dabei wird eine nahezu vollständige Verdichtung und ein nahezu reiner Sinterzustand erreicht.
Typische Anwendung: Ursprünglich als kugelsichere Westen für US-Hubschrauberbesatzungen im Vietnamkrieg eingesetzt, wurde es auf dem Rüstungsmarkt durch heißgepresstes Borcarbid ersetzt; Gegenwärtig wird es hauptsächlich in Bereichen mit hoher Wertschöpfung eingesetzt, wie z. B. in Bereichen mit extrem hohen Anforderungen an Zusammensetzungskontrolle, Reinheit und Verdichtung sowie in der verschleißfesten Industrie und der Nuklearindustrie.
4. Rekristallisierte SiC-Keramiken (R-SiC)
Hauptvorteil: Es werden keine Sinterhilfsmittel benötigt. Dieses Verfahren eignet sich gängig zur Herstellung von hochreinem und großflächigem SiC. Dabei werden grobe und feine SiC-Pulver im richtigen Verhältnis gemischt, geformt und anschließend in inerter Atmosphäre bei 2200–2450 °C gesintert. Feine Partikel verdampfen und kondensieren an den Kontaktstellen zwischen den groben Partikeln zu einer Keramik, deren Härte nur von Diamant übertroffen wird. SiC zeichnet sich durch hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit aus.
Typische Anwendungen: Hochtemperatur-Ofenmöbel, Wärmetauscher, Brenndüsen; In der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich wird es zur Herstellung von Strukturbauteilen für Raumfahrzeuge wie Triebwerke, Leitwerke und Rümpfe verwendet, wodurch die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Ausrüstung verbessert werden können.
5. Siliziuminfiltrierte SiC-Keramiken (SiSiC)
Hauptvorteile: Optimale Eignung für die industrielle Fertigung, kurze Sinterzeit, niedrige Temperatur, vollständig dicht und formstabil, bestehend aus einer SiC-Matrix und infiltrierter Si-Phase. Das Verfahren wird in zwei Schritten durchgeführt: Flüssiginfiltration und Gasinfiltration. Letztere ist zwar kostenintensiver, bietet aber eine höhere Dichte und Gleichmäßigkeit des freien Siliziums.
Typische Anwendungen: Geringe Porosität, gute Luftdichtheit und niedriger Widerstand begünstigen die Beseitigung statischer Elektrizität und eignen sich für die Herstellung großer, komplexer oder hohler Teile. Das Material findet breite Anwendung in Halbleiterverarbeitungsanlagen. Aufgrund seines hohen Elastizitätsmoduls, seines geringen Gewichts, seiner hohen Festigkeit und seiner ausgezeichneten Luftdichtheit ist es das bevorzugte Hochleistungsmaterial in der Luft- und Raumfahrt, da es den Belastungen im Weltraum standhält und die Genauigkeit und Sicherheit der Anlagen gewährleistet.
Veröffentlichungsdatum: 02.09.2025