Siliziuminfiltriertes Siliziumkarbid

Siliciumcarbid (SiC) ist eines der härtesten und leichtesten keramischen Materialien. SiC wird in erster Linie als elektrischer Isolator verwendet, kann aber auch mit Stickstoff, Phosphor oder Bor dotiert werden, um verschiedene Arten von Leitern herzustellen.

Hier werden REM-Querschnittsbilder von porösen Kohlenstoffvorformen gezeigt, die unter Verwendung verschiedener Massenanteile und Partikelgrößen von TIMREX KS 25 Graphitpulver hergestellt wurden, das bei 1500 °C mit einer nahezu eutektischen Si-Zr-Legierung infiltriert wurde. Die in diesen Vorformen beobachtete Bänderung der Zr-reichen Phase stimmt mit den analytischen Vorhersagen überein.

Hohe spezifische Steifigkeit

Siliziuminfiltriertes Siliziumkarbid (SiSiC) ist ein industrieller keramischer Werkstoff, der sich durch eine hohe spezifische Steifigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine außergewöhnliche Chemikalien-, Oxidations- und Hitzeschockbeständigkeit auszeichnet. Darüber hinaus zeichnet sich dieser Werkstoff durch hervorragende tribologische Eigenschaften aus. SiSiC wird hergestellt, indem poröse Kohlenstoffvorformen mit geschmolzenem Silizium infiltriert werden, um eine exotherme Reaktion zwischen Kohlenstoffmolekülen und Siliziummolekülen auszulösen, die einen dichten Verbundstoff bildet.

Nachfolgend sind verschiedene mikroskopische Aufnahmen von vollständig infiltrierten Vorformlingen bei unterschiedlichen Vergrößerungen unter Verwendung der optischen Mikroskopie zu sehen. Im Fall von SiCp/C ist nicht umgesetzter Kohlenstoff zusammen mit reaktionsfähigem Si sowie nicht umgesetzter Kohlenstoff, der noch nicht reagiert hat, zu sehen, während der größte Teil der Vorform von einer ununterbrochenen Si-Schicht bedeckt bleibt.

Cf/C-Preforms unterscheiden sich wesentlich dadurch, dass fast der gesamte amorphe Kohlenstoff durch eine gleichmäßige Si-Schicht ersetzt wird, so dass nur geringe Mengen an Kohlenstofffasern übrig bleiben; diese Tatsache zeigt sich in einer langsameren Infiltrationskinetik und einer verbesserten Fähigkeit zur Reduzierung des Porendurchmessers.

Niedriger elektrischer Widerstand

Siliciumcarbid (SiC) wird aufgrund seines hohen Schmelzpunkts, seiner niedrigen Sintertemperatur und seiner hohen Leitfähigkeit in der Halbleiterelektronik häufig verwendet. Außerdem ist es bei hohen Temperaturen stabil, ohne zu oxidieren. Siliziuminfiltriertes Siliziumkarbid (SiSIC), ein alternatives Material mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften, aber niedrigeren Sintertemperaturen, das weniger Poren erzeugt, ermöglicht die Herstellung größerer und komplexer geformter Teile und ist außerdem kostengünstiger als die herkömmliche Pulversintertechnologie.

Bei 1500°C und 1700°C wurden poröse kohlenstoffhaltige Vorformlinge mit verschiedenen Graphitpulvermassenanteilen und Partikelgrößen mit einer nahezu eutektischen Si-Zr-Legierung infiltriert, um dichte Si-Zr-SiC-Strukturen zu erzeugen. HR-SEM-Querschnitte zeigten, dass die Infiltrationstiefe nicht nur von den Kapillarkräften abhängt, die die infiltrierende Schmelze in die Poren der Vorform ziehen, sondern auch von der chemischen Reaktion zwischen dem bei 1500 °C geschmolzenen Silizium und dem Graphitpulver, die die Permeabilität des Netzwerks verringert und damit die Infiltrationstiefe bei bestimmten Porositäten reduziert. Daher sollte die Infiltrationslänge bei gegebener Porosität mit steigendem Graphitmassenanteil entsprechend zunehmen.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Siliziumkarbid zeichnet sich durch seine hohe Korrosions-, Abrieb- und Erosionsbeständigkeit aus und ist damit die ideale Materialwahl für Hochtemperaturanwendungen. Darüber hinaus eignen sich seine geringe Wärmeausdehnung und seine Härteeigenschaften für große Bauteile wie Thermoelemente.

Infiltrierte RCs haben sich in mehreren wissenschaftlichen Experimenten als äußerst erfolgreich erwiesen. Bemerkenswerte Beispiele sind die SiC-Spiegelscheiben des Herschel-Weltraumteleskops, die aufgrund ihrer hohen Widerstandsfähigkeit für Temperaturen von bis zu 1.400 Grad Celsius geeignet sind.

Poröse kohlenstoffhaltige Vorformlinge, die verschiedene Mengen an Graphitpulver enthielten, wurden bei 1500-1700 °C mit flüssigem Silizium infiltriert, um sie zu infiltrieren. REM-Querschnitte zeigten, dass die Porenverstopfung in erster Linie durch die Ausfällung fester Zirkoniumsilizide an der Infiltrationsfront auftrat. Eine Erhöhung des Graphitmassenanteils und/oder eine Senkung der Infiltrationstemperatur verbesserten die Infiltration erheblich, ließen aber immer noch einige zentrale Bereiche mit großen Mengen an nicht infiltrierter Porosität zurück, die nicht durch flüssiges Silizium allein gefüllt werden konnten.

Hohe Festigkeit

Siliciumcarbid (SiC) ist eine anorganische, harte chemische Verbindung mit Halbleitereigenschaften mit breiter Bandlücke, die in der Natur häufig in Form des Edelsteins Moissanit vorkommt; es wird jedoch auch in Massenproduktion in Pulver- und Kristallform zur Verwendung als Schleifmittel hergestellt. SiC zeichnet sich durch überragende mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit sowie gute tribologische Eigenschaften bei höheren Temperaturen aus; außerdem bietet es eine gute Chemikalien- und Oxidationsbeständigkeit, die es für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet macht.

Die Infiltration poröser SiC-C-Vorformen mit flüssigem Silizium ist eine innovative Technik zur Herstellung dichter Keramiken mit höherer Druck- und Biegefestigkeit als mit herkömmlichem reaktionsgebundenem SiC (RBSC) erreicht werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen verschiedene Parameter wie Porositätsverteilung, Porenstruktur und Verwendung von Kohlenstoffquellen verändert werden. Die Entwicklung einer multimodalen Partikelabstufung und die Verwendung von Nanoruß-Additiven werden eingesetzt, um dieses Ergebnis zu erreichen (Abb.). REM-Querschnittsbilder von infiltrierten Proben zeigen deren Effizienz (Abb.). Bei einem Graphitmassenanteil von 5-30% konnten Proben mit gleichmäßiger Verteilung der Zr-reichen Phase und minimaler Restporosität erzielt werden. Proben mit einem Graphitmassenanteil von 30 haben Kernbereiche, die mit einer nahezu eutektischen Si-Zr-Legierung infiltriert bleiben.