Die „Klontechnik“ der Siliziumkarbidkeramik: Analyse von fünf gängigen Typen

Siliziumkarbid (SiC)-Keramiksind aufgrund ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, ihrer hohen Härte und ihrer ausgezeichneten thermischen und chemischen Stabilität zum Kernmaterial im Bereich der Hochtemperatur-Strukturkeramik geworden. 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. Zu diesem Zweck hat die Industrie verschiedene Sintertechnologien entwickelt. Die mit unterschiedlichen Technologien hergestellten SiC-Keramiken weisen erhebliche Unterschiede in Mikrostruktur, Eigenschaften und Anwendungsszenarien auf. Hier finden Sie eine Analyse der Kernmerkmale von fünf gängigen Siliziumkarbidkeramiken.
1. Drucklos gesinterte SiC-Keramik (S-SiC)
Hauptvorteile: Geeignet für mehrere Formgebungsprozesse, kostengünstig, nicht durch Form und Größe eingeschränkt – es ist das einfachste Sinterverfahren für die Massenproduktion. Durch Zugabe von Bor und Kohlenstoff zu β-SiC mit Spuren von Sauerstoff und Sintern unter einer inerten Atmosphäre bei etwa 2000 °C kann ein Sinterkörper mit einer theoretischen Dichte von 98 % erhalten werden. Es gibt zwei Prozesse: Festphase und Flüssigphase. Erstere weist eine höhere Dichte und Reinheit sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Hochtemperaturfestigkeit auf.
Typische Anwendungen: Massenproduktion von verschleißfesten und korrosionsbeständigen Dichtungsringen und Gleitlagern; Aufgrund seiner hohen Härte, des geringen spezifischen Gewichts und der guten ballistischen Eigenschaften wird es häufig als kugelsichere Panzerung für Fahrzeuge und Schiffe sowie zum Schutz ziviler Tresore und Geldtransporter eingesetzt. Seine Mehrschlagfestigkeit ist der von gewöhnlicher SiC-Keramik überlegen, und die Bruchstelle der zylindrischen, leichten Schutzpanzerung kann über 65 Tonnen erreichen.
2. Reaktionsgesinterte SiC-Keramik (RB SiC)
Hauptvorteile: Hervorragende mechanische Leistung, hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit; niedrige Sintertemperatur und -kosten, Herstellung nahezu endmaßhaltig. Der Prozess beinhaltet das Mischen einer Kohlenstoffquelle mit SiC-Pulver zur Herstellung eines Blocks. Bei hohen Temperaturen dringt geschmolzenes Silizium in den Block ein und reagiert mit Kohlenstoff zu β-SiC, das sich mit dem ursprünglichen α-SiC verbindet und die Poren füllt. Die Größenänderung beim Sintern ist gering, sodass sich das Verfahren für die industrielle Produktion komplex geformter Produkte eignet.
Typische Anwendungen: Hochtemperatur-Ofenausrüstung, Strahlungsrohre, Wärmetauscher, Entschwefelungsdüsen; Aufgrund seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, seines hohen Elastizitätsmoduls und seiner nahezu reinen Formgebungseigenschaften ist es ein ideales Material für Weltraumreflektoren geworden; Es kann auch Quarzglas als Stützvorrichtung für elektronische Röhren und Geräte zur Herstellung von Halbleiterchips ersetzen.

3. Heißgepresste gesinterte SiC-Keramik (HP SiC)
Hauptvorteil: Durch das synchrone Sintern bei hoher Temperatur und hohem Druck befindet sich das Pulver in einem thermoplastischen Zustand, der den Stoffaustauschprozess begünstigt. Es können Produkte mit feiner Körnung, hoher Dichte und guten mechanischen Eigenschaften bei niedrigeren Temperaturen und in kürzerer Zeit hergestellt werden und eine vollständige Dichte und einen nahezu reinen Sinterzustand erreichen.
Typische Anwendung: Ursprünglich wurde es während des Vietnamkriegs als kugelsichere Weste für US-Hubschrauberbesatzungen verwendet, später wurde es auf dem Panzerungsmarkt durch heißgepresstes Borcarbid ersetzt. Derzeit wird es hauptsächlich in Szenarien mit hoher Wertschöpfung eingesetzt, beispielsweise in Bereichen mit extrem hohen Anforderungen an Zusammensetzungskontrolle, Reinheit und Verdichtung sowie in der Verschleißfestigkeit und in der Nuklearindustrie.
4. Rekristallisierte SiC-Keramik (R-SiC)
Hauptvorteil: Es ist keine Zugabe von Sinterhilfsmitteln erforderlich. Dies ist eine gängige Methode zur Herstellung von hochreinen und großen SiC-Bauteilen. Der Prozess umfasst das Mischen und Formen von grobem und feinem SiC-Pulver im richtigen Verhältnis und das Sintern in einer inerten Atmosphäre bei 2200–2450 °C. Feine Partikel verdampfen und kondensieren beim Kontakt zwischen groben Partikeln und bilden Keramik, deren Härte nur von Diamant übertroffen wird. SiC behält eine hohe Hochtemperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Thermoschockbeständigkeit.
Typische Anwendungen: Hochtemperatur-Brennhilfsmittel, Wärmetauscher, Verbrennungsdüsen; In der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich wird es zur Herstellung von Strukturkomponenten für Raumfahrzeuge wie Triebwerke, Heckflossen und Rumpf verwendet, wodurch die Leistung und Lebensdauer der Geräte verbessert werden kann.
5. Siliziuminfiltrierte SiC-Keramik (SiSiC)
Hauptvorteile: Am besten geeignet für die industrielle Produktion, mit kurzer Sinterzeit, niedriger Temperatur, vollständig dicht und unverformt, bestehend aus einer SiC-Matrix und infiltrierter Si-Phase, unterteilt in zwei Prozesse: Flüssiginfiltration und Gasinfiltration. Letztere ist teurer, bietet aber eine bessere Dichte und Gleichmäßigkeit des freien Siliziums.
Typische Anwendungen: Geringe Porosität, gute Luftdichtheit und geringer Widerstand tragen zur Beseitigung statischer Elektrizität bei und eignen sich zur Herstellung großer, komplexer oder hohler Teile. Weit verbreitet in Halbleiterverarbeitungsgeräten. Aufgrund seines hohen Elastizitätsmoduls, seines geringen Gewichts, seiner hohen Festigkeit und seiner hervorragenden Luftdichtheit ist es das bevorzugte Hochleistungsmaterial in der Luft- und Raumfahrt, das Belastungen in Weltraumumgebungen standhält und die Genauigkeit und Sicherheit der Geräte gewährleistet.