Verständnis der Mikrostruktur von Siliziumnitrid

Siliziumnitrid ist eine feste Verbindung, die durch direkte Reaktion zwischen Silizium und Stickstoff entstehen kann. Es kommt in drei verschiedenen Phasen vor, die durch ihre kristalline Struktur gekennzeichnet sind:

• Die am häufigsten vorkommenden α- und β-Phasen weisen hexagonale Kristallstrukturen auf (eckenverknüpftes, tetraedrisches Si₃N₄ mit starken Si-N-Bindungen, was zu einem starren, geschichteten 3D-Gerüst führt). Beide Phasen werden bei Normaldruck synthetisiert; Die α-Phase bildet sich bei niedrigen Temperaturen, wobei der Übergang in die β-Phase zwischen 1.400 °C und 1.600 °C erfolgt.
• Die γ-Phase, die sich nur bei hohen Temperaturen und Drücken bildet.

Sinterzusätze

Sintern ist ein Wärmebehandlungsprozess, der üblicherweise bei Pulvern angewendet wird. Um die Bildung von Mikrostrukturen – also die Bildung kovalent gebundener Strukturen, die zur Materialzähigkeit führen – zu kontrollieren, ist die Zugabe von Sinteradditiven während der Produktion von entscheidender Bedeutung. Seltene Erden und Metalloxide wie Yttriumoxid (Y₂O₃ ) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) sind gängige Sinteradditive.

In einer Studie wurde Folgendes beobachtet:

1. Trotz der teilweisen Zunahme von β-Si 3 N 4 (von 7,67 auf 57,34 Gew.-%) während der anfänglichen α-zu-β-Phasenumwandlung bleiben die durchschnittliche Korngröße und Härte (ca. 20 GPa) unverändert. Danach nehmen die Körner eine stäbchenförmige Struktur an, begleitet von einem erheblichen Anstieg der Bruchzähigkeit (von 3,36 auf 7,11 MPaM^1/2).
2. Während der zweiten Sinterstufe erreicht β-Si₃N₄ 100,00 Gew.-%, begleitet von einem schnellen Anstieg der Korngröße. Dies führt zu einem geringfügigen Anstieg der Bruchzähigkeit (von 7,11 auf 7,61 MPaM^1/2) bei gleichzeitiger spürbarer Verringerung der Härte (von 20 GPa auf 16,80 GPa).

Es hat sich gezeigt, dass die Einführung einer zweiten Phase mit hoher Härte – wie Siliziumkarbid (SiC), Titankarbid (TiC) oder Titannitrid (TiN) – die Bruchzähigkeit und Härte von Siliziumnitrid-Konstruktionsmaterialien verbessert. Dies zeigt, dass bimodale mikrostrukturierte Keramiken (α- und β-Phasen) für die Herstellung von Materialien mit optimaler Leistung maßgeschneidert werden können.

Die Härte fortschrittlicher Siliziumnitrid-Materialien ist linear proportional zu ihrer Festigkeit. Wie bereits erwähnt, können die mechanischen Eigenschaften durch den Einsatz von Sinteradditiven deutlich verbessert werden. In industriellen Anwendungen zeigen aus Siliziumnitrid gefertigte Bauteile aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen eine überlegene Schneidleistung bei Materialien wie Sphäroguss, Temperguss und Grauguss.

In einer anderen Studie zeigten Siliziumkarbid-Keramikmaterialien mit 1 Gew.-% Co und 10 Gew.-% WC optimale Leistung bei einer Sintertemperatur von 1.650 °C und erreichten eine Bruchzähigkeit von 7,26 MPaM^1/2, eine Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von 1.132 MPa und eine Härte von 16,96 GPa. Darüber hinaus zeigte die Mikrostruktur kein abnormales Wachstum. Von Saint-Gobain hergestellte Siliziumnitridmaterialien weisen Folgendes auf:

• Überlegene Biegefestigkeit (850 MPa)
• Hohe Bruchzähigkeit (7 MPaM^1/2)
• Geringe Dichte (3,17 g/cm³ )

Durch maßgeschneiderte Zusammensetzungen und Sinterparameter können Siliziumnitrid-Hochtemperaturmaterialien in ein breites Spektrum industrieller Anwendungen eingeführt werden.

Siliziumnitridkeramik vereint überlegene thermische, mechanische und chemische Eigenschaften für ein breites Spektrum industrieller Anwendungen und übertrifft die Leistung von Metallen und Polymeren. Heißisostatisches Pressen (HIP) und Funkenplasmasintern (SPS) sind gängige Methoden, die bei der kommerziellen Produktion von Siliziumnitridmaterialien eingesetzt werden.

Aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Bruchzähigkeit sowie ihrer hervorragenden Oxidations-, Korrosions- und Verschleißbeständigkeit werden Siliziumnitridkeramiken für eine Vielzahl struktureller Anwendungen in einigen der härtesten Betriebsumgebungen in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Öl- und Gasindustrie und mehr in Betracht gezogen, einschließlich:

• Turboladerrotoren.
• Oberflächen von Pumpen (z. B. Dichtungen, Laufräder, Wellen).
• Dichtungsflächenkomponenten (in Druckwasserpumpen, Kesselwasserreaktorpumpen und anderen).
• Komponenten für Dieselmotoren.
• Gasturbinentriebwerke.

Saint-Gobain High-Performance Ceramics & Refractories ist sich der Komplexität der Herstellung von Hochleistungsmaterialien bewusst und produziert hochwertige, heißgepresste und gesinterte Siliziumnitrid- Keramik mit minimalem Aufwand für die Nachbearbeitung.