Anzahl Durchsuchen:0 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2026-02-12 Herkunft:Powered
1. Hochleistungskeramik ist nach und nach zu einem wichtigen Bestandteil neuer Materialien geworden .
Bei Keramik handelt es sich um Materialien und verschiedene Produkte, die durch Mahlen, Mischen, Formen und Brennen von Ton als Hauptrohstoff zusammen mit anderen natürlichen Mineralien gewonnen werden. Sie werden zusammenfassend als Keramik und Porzellan bezeichnet. Der traditionelle Begriff Keramik bezieht sich auf alle künstlichen Industrieprodukte, die aus anorganischen, nichtmetallischen Mineralien wie Ton hergestellt werden. Es umfasst verschiedene Produkte, die durch Mischen, Formen und Brennen von Ton oder tonhaltigen Mischungen entstehen. Der Hauptrohstoff für Keramik sind aus der Natur gewonnene Silikatmineralien, daher gehört es zusammen mit Glas, Zement, Emailwaren und feuerfesten Materialien zur „Silikatindustrie“.
Im weitesten Sinne beziehen sich keramische Materialien auf alle Materialien außer organischen und metallischen Materialien, nämlich anorganische nichtmetallische Materialien. Keramikprodukte gibt es in einer großen Vielfalt. Ihre chemische Zusammensetzung, Mineralzusammensetzung, physikalischen Eigenschaften und Herstellungsmethoden überschneiden und verflechten sich oft ohne klare Grenzen, weisen jedoch erhebliche Unterschiede in der Anwendung auf. Daher ist es schwierig, sie streng in mehrere Systeme einzuteilen. Die Klassifizierungsmethoden sind unterschiedlich und es gibt bislang international keine einheitliche Klassifizierungsmethode. Je nach Herstellungstechnik und Anwendungsgebiet der Keramik lassen sie sich in traditionelle Keramikmaterialien und fortschrittliche Keramikmaterialien einteilen.
Traditionelle Keramik: Im traditionellen Sinne bezieht sich Keramik auf verschiedene Produkte, die aus Ton und seinen natürlichen Mineralien durch Prozesse wie Mahlen, Mischen, Formen und Brennen hergestellt werden. Diese Produkte werden üblicherweise als „gewöhnliche Keramik“ oder traditionelle Keramik bezeichnet. Beispiele hierfür sind Haushaltskeramik sowie Bau- und Sanitärkeramik.
Hochleistungskeramik: Entsprechend ihrer chemischen Zusammensetzung können sie in Oxidkeramik, Nitridkeramik, Karbidkeramik, Boridkeramik, Silizidkeramik, Fluoridkeramik, Sulfidkeramik usw. eingeteilt werden. Je nach Leistung und Anwendung können sie in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: Funktionskeramik und Strukturkeramik. Funktionskeramik beruht hauptsächlich auf den besonderen Funktionen der Materialien, einschließlich elektrischer Eigenschaften, Magnetismus, biologischer Eigenschaften, thermischer Empfindlichkeit und optischer Eigenschaften usw., einschließlich isolierender und dielektrischer Keramik, ferroelektrischer Keramik, piezoelektrischer Keramik, Halbleiter und ihrer empfindlichen Keramik usw.; Strukturkeramik beruht hauptsächlich auf den mechanischen und strukturellen Anwendungen der Materialien, die eine hohe Festigkeit, hohe Härte, hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit usw. aufweisen.
1.1 Strukturkeramik : Die vielversprechendsten hochwertigen Materialien für Anwendungen in extremen Umgebungen
Strukturkeramik hat sich aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen und thermischen Eigenschaften zu einem wichtigen Zweig der keramischen Werkstoffe entwickelt und macht etwa 30 % des gesamten Keramikmarktes aus. In den letzten zwei Jahrzehnten haben große nationale Projekte und Spitzentechnologien auch höhere Anforderungen und Herausforderungen an keramische Materialien und ihre Herstellungstechnologien gestellt: So laufen beispielsweise die Siliziumnitrid-Keramiklager, die in den Flüssigwasserstoff- und Flüssigsauerstoff-Turbopumpen für Raketenstarts in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden, mit hohen Geschwindigkeiten ohne Schlupf unter extrem niedrigen Temperaturbedingungen, was eine hohe Festigkeit, gute Anfangseigenschaften, Verschleißfestigkeit und eine hohe Oberflächenbearbeitungsgenauigkeit erfordert; Großformatige Keramikdichtringe, die in Hauptpumpen von Kernkraftwerken verwendet werden, erfordern eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit. Insbesondere die Siliziumkarbid-Keramikreflektoren, die bei der Erdzielüberwachung durch Erdsatelliten zur Bildgebung verwendet werden, erfordern neben einem hohen Elastizitätsmodul, einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einem geringen Gewicht auch hochpräzise Ultraspiegeloberflächen und große Abmessungen, was eine Herausforderung für die Umformtechnologie, Sintertechnologie und Verarbeitungstechnologie großformatiger Strukturkeramiken darstellt. Und die Keramikstecker von Steckverbindern für optische Kommunikationsfasern mit einem Innenloch von 125 Mikrometern erfordern eine extrem hohe Oberflächenglätte, Größengenauigkeit und Konzentrizität.
Im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften haben der hohe Schmelzpunkt und der breite Einsatztemperaturbereich den Grundstein für die Anwendung keramischer Werkstoffe im Bauwesen gelegt. Organische Materialien werden meist durch molekulare Bindungen verbunden, während metallische Materialien hauptsächlich durch metallische Bindungen verbunden werden. Keramische Materialien werden hauptsächlich durch ionische Bindungen und kovalente Bindungen verbunden, daher ist der Schmelzpunkt von keramischen Materialien am höchsten. Gleichzeitig liegt die Langzeitgebrauchstemperatur keramischer Werkstoffe auch unter Belastung stabil bei über 1000℃. Im Vergleich zu Metallwerkstoffen liegt die höchste aktuelle Betriebstemperatur bei Hochtemperaturlegierungen unter 1200℃. Bei Belastung liegt die Betriebstemperatur über 1000℃.
Darüber hinaus zeichnen sich keramische Werkstoffe durch ihre hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit bei der Werkstoffauswahl im Bauwesen aus. Im Vergleich zu organischen Materialien und Metallmaterialien weisen keramische Materialien bei gleicher Dichte, spezifischer Steifigkeit und gleichen Kostenbedingungen die höchste Festigkeit auf. Dies führt dazu, dass Keramikmaterialien in anspruchsvolleren Umgebungen besser eingesetzt werden können. Darüber hinaus entspricht die Verschleißfestigkeit von Keramikmaterialien nach Angaben des Pulvermetallurgie-Forschungsinstituts der Central South University dem 266-fachen der von Manganstahl und dem 171,5-fachen der von Gusseisen mit hohem Chromgehalt.
Hinsichtlich der thermischen Eigenschaften bescheren keramische Werkstoffe aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungseigenschaften und Temperaturschockbeständigkeit in vielen Anwendungsbereichen eine unersetzliche Stellung im Vergleich zu anderen Werkstoffen wie etwa Metallen. Im Vergleich zu organischen Materialien weisen keramische Materialien und Metallmaterialien eine bessere Wärmeleitfähigkeit auf. Unter Hochtemperaturbedingungen sind jedoch der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Bruchfestigkeit bei thermischer Belastung von Keramikmaterialien geringer als die von Metallmaterialien, was bedeutet, dass Keramikmaterialien größeren Temperaturschocks bei hohen Temperaturen standhalten können und in extremen Umgebungen die besten Materialien sind.
Der größte Nachteil struktureller Keramikmaterialien ist ihre Sprödigkeit. Derzeit hat sich die Forschung und Entwicklung struktureller Keramikmaterialien vom früheren Schwerpunkt auf einphasige und hochreine Eigenschaften hin zu mehrphasigen Verbundwerkstoffen verlagert, einschließlich durch Fasern (oder Whisker) verstärkter Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe, selbstverstärkender Keramikmaterialien und Nanokompositkeramiken usw., was die Leistung struktureller Keramikmaterialien erheblich verbessert hat.
1.1.1 O xid - Keramik
Die atomaren Bindungen oxidkeramischer Materialien sind hauptsächlich ionische Bindungen, wobei einige kovalente Bindungen vorhanden sind. Daher besitzen sie viele hervorragende Eigenschaften. Die meisten Oxide haben hohe Schmelzpunkte, gute elektrische Isolationseigenschaften, insbesondere eine ausgezeichnete chemische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit. Sie werden in großem Umfang im Ingenieurbereich eingesetzt. Entsprechend ihren Komponenten können sie in Einzeloxidkeramiken (wie Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Titandioxidkeramik usw.) und Verbundoxidkeramiken (wie Spinell MgO·Al2O3, Mullit 3Al2O3·2SiO2, Bleizirkonat-Titanat-PZT-Keramik usw.) eingeteilt werden.
Aluminiumoxidkeramik : Die am frühesten entwickelte und am weitesten verbreitete Strukturkeramik
Im Hinblick auf die Herstellung von Aluminiumoxidkeramik umfassen die derzeit kommerziell verfügbaren Methoden das Bayer-Verfahren, das chemische Verfahren, das Sintern von plattenförmigem Korund und das Elektrofusionsverfahren für Korund. Unter diesen ist das Bayer-Verfahren das am weitesten verbreitete. Mit dem Bayer-Verfahren kann Aluminiumoxidpulver in metallurgischer und industrieller Qualität mit einer Reinheit von 99,5 % hergestellt werden, es enthält jedoch hauptsächlich Verunreinigungen wie Natriumoxid. Später entstand das chemische Verfahren, mit dem hochreines feines Aluminiumoxidpulver mit einer Reinheit von 99,99 % hergestellt werden kann, das üblicherweise als hochreines Aluminiumoxid oder 4N-Aluminiumoxid klassifiziert wird. Darüber hinaus können Aluminiumoxidkeramiken je nach Herstellungstechnik und gewünschten Eigenschaften in verschiedene Produktformen eingeteilt werden, wie z. B. hochverschleißfeste Platten, Präzisionskeramikkomponenten und transparente Aluminiumoxidkeramiken einschließlich Substraten, Isolatoren, Verschleißteilen und Biokeramiken.
Im Anwendungsbereich kann Aluminiumoxidkeramik derzeit im mechanischen Bereich für verschleißfeste Komponenten wie Dichtungen und Düsen, im Energiesektor für hochtemperaturbeständige Isolationskomponenten und im Halbleiterbereich für Keramiksubstrate usw. eingesetzt werden. Darüber hinaus werden sie häufig in biomedizinischen Implantaten, Schneidwerkzeugen, verschleißfesten Auskleidungen und Hochspannungsisolationsteilen eingesetzt und beweisen ihre Vielseitigkeit in zahlreichen High-Tech-Branchen.
Zirkonoxidkeramik : Die Erhöhung der Zähigkeit von Hochleistungsstrukturkeramiken ist der Schlüssel zu ihrer Herstellung .
Zu den traditionellen Anwendungen von Zirkonoxid gehört hauptsächlich die Verwendung als Rohstoff für feuerfeste Materialien, Beschichtungen und Glasuren usw. Mit einem tieferen Verständnis der thermodynamischen und elektrischen Eigenschaften von Zirkonoxidkeramik ist es jedoch möglich geworden, dass es in großem Umfang als Hochleistungsstrukturkeramik wie Lager, Ventile und Schneidmesser sowie als feste dielektrische Materialien wie Sauerstoffsensoren und Elektrolyte für Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) eingesetzt wird. Insbesondere mit der eingehenden Untersuchung des Phasenumwandlungsprozesses von Zirkonoxid entstanden in den 1970er Jahren gehärtete Zirkonoxidkeramikmaterialien, die die mechanischen Eigenschaften von Zirkonoxidkeramikmaterialien erheblich verbesserten und zu Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ), Magnesiumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid (MSZ) und teilweise stabilisiertem Zirkonoxid (PSZ) führten, wobei insbesondere die hohe Raumtemperaturzähigkeit an erster Stelle unter den Keramikmaterialien stand.
Auf der Vorbereitungsseite ist die Härtung das Hauptziel, und die häufigste Methode ist die Zugabe von Stabilisatoren wie Yttriumoxid (Y₂O₃), Magnesiumoxid (MgO) oder Ceroxid (CeO₂). Zirkonoxid wird vollständig aus Zirkonsand und Baddeleyit-Erz gewonnen. Zirkonsand besteht hauptsächlich aus Zirkoniumsilikat (ZrO₂·SiO₂), während Baddeleyit-Erz überwiegend aus ZrO₂ mit geringfügigen Verunreinigungen wie SiO₂ und TiO₂ besteht.
In der Vergangenheit wurde Zirkonoxid ausschließlich aus diesen beiden natürlichen Mineralien als Rohstoff hergestellt. Allerdings werden die leicht sinterbaren Zirkonoxid-Mikropulver, die für technische Keramik verwendet werden, aus Zirkoniumsalzen hergestellt, die ihrerseits aus den oben genannten natürlichen Mineralien hergestellt werden.
Zirkonoxid existiert in drei Kristallformen: kubisch (c), tetragonal (t) und monoklin (m). Die thermodynamische Analyse zeigt, dass das reine monokline Zirkonoxid unter 1170℃ stabil ist; oberhalb dieser Temperatur geht es in die tetragonale Phase über. Wenn die Temperatur 2370℃ erreicht, wandelt es sich weiter in die kubische Phase um, die stabil bleibt, bis es bei 2680–2700℃ zum Schmelzen kommt. Dieser Phasenübergangsprozess ist reversibel und von zentraler Bedeutung für den Umwandlungsverfestigungsmechanismus in modernen Zirkonoxidkeramiken wie Y-TZP (Yttria-Tetragonal Zirconia Polycrystal).
Beim Abkühlen von hohen Temperaturen auf den tetragonal-zu-monoklinen Übergangspunkt findet eine Phasenumwandlungshysterese statt: Die tetragonale Phase (t-Phase) wandelt sich erst bei etwa 1050 °C in die monokline Phase (m-Phase) um – etwa 100 °C niedriger als die theoretische Übergangstemperatur. Dieser Prozess wird als martensitische Umwandlung bezeichnet und geht mit einer Volumenausdehnung von 5–9 % einher. Eine solche Volumenänderung überschreitet die Elastizitätsgrenze der ZrO₂-Körner und führt zu Materialrissen.
Daher ist es aus Sicht der Thermodynamik und der Kristallphasenumwandlung nahezu unmöglich, reine ZrO₂-Materialien herzustellen. Um diesen Phasenübergang zu vermeiden, können zweiwertige Oxide (CaO, MgO, SrO) und Seltenerdoxide (Y₂O₃, CeO₂) als Stabilisatoren verwendet werden, um mit ZrO₂ eine feste Lösung zu bilden, die eine stabile kubische Kristallstruktur ergibt. Beachten Sie, dass diese Stabilisatoroxide nur dann eine stabilisierende Wirkung entfalten können, wenn der Radius ihrer Metallionen um weniger als 40 % vom Radius von Zr⁴⁺ abweicht.
Im Anwendungsbereich werden Zirkonoxidkeramiken (insbesondere verstärkte Typen wie umwandlungsgehärtetes Zirkonoxid und YSZ-Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid) aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften in verschiedenen industriellen und technischen Bereichen häufig eingesetzt. Aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften und seiner hohen Temperaturbeständigkeit wird es vor allem als Strukturmaterial im Maschinenbau (als Keramikwerkzeuge, Messwerkzeuge, Lager, Formen, Dichtungen usw.), in der metallurgischen Industrie (Tiegel, feuerfeste Materialien, Stranggussdüsen, Kompressionsstützen, Führungsrollen usw.), in der Militärindustrie (Raketenisolationsschichten, kugelsichere Panzerplatten), in der chemischen Industrie, in der Textilindustrie, in der Biotechnik einschließlich Zahnkronen, orthopädischen Implantaten und Hüftgelenkkugeln sowie im täglichen Gebrauch eingesetzt Leben usw.
Magnesiumoxidkeramik : Ein Schlüsselmaterial in der modernen Metallurgieindustrie
Magnesiumoxidkeramik ist eine typische Art neuer Keramik und gehört auch zu den traditionellen feuerfesten Materialien. Magnesiumoxid selbst weist eine starke Beständigkeit gegen die Erosion alkalischer Metalllösungen auf. Die vorbereiteten Magnesiumoxid-Keramiktiegel, einschließlich hochreiner MgO-Tiegel und Schmelzmagnesia-Tiegel, verfügen über hervorragende chemische Eigenschaften und Stabilität bei der Beständigkeit gegen Metallerosion und reagieren nicht mit Magnesium, Nickel, Uran, Aluminium, Molybdän usw. Unter oxidierender Atmosphäre oder Stickstoffschutz können Magnesiumoxidkeramiken wie Ofenauskleidungen, Thermoelementrohre und isolierende Substrate bis zu 2400 °C stabil arbeiten. Daher ist Magnesiumoxid ein Schlüsselmaterial in fortschrittlichen Prozessen der modernen metallurgischen Industrie.
Bei der Zubereitung stammen die Rohstoffe aus Mineralien oder Meerwasser. Während des Sinterprozesses müssen Additive hinzugefügt werden, um die Eigenschaften anzupassen. Magnesiumhaltige Verbindungen sind in der Natur reichlich vorhanden und kommen in verschiedenen Mineralformen in der Erdkruste und im Ozean vor, beispielsweise Magnesit, Dolomit, Willemit und Talk. Industriell wird MgO, üblicherweise in Form von Totbrandmagnesia oder Schmelzmagnesia, hauptsächlich aus den oben genannten Mineralien gewonnen. In jüngster Zeit wurde auch die Gewinnung aus Meerwasser zur Herstellung von Meerwassermagnesia entwickelt. Bei der Gewinnung von MgO aus Mineralien oder Meerwasser besteht der größte Teil des Prozesses darin, zunächst Magnesiumhydroxid oder Magnesiumcarbonat herzustellen und es dann durch Kalzinierung in MgO zu zersetzen, um kalzinierte Magnesia zu erhalten. Dieses MgO kann durch chemische Behandlung oder Wärmebehandlung weiterverarbeitet werden, um hochreines MgO zu erhalten, das für moderne Keramikqualitäten geeignet ist. Nach der Verarbeitung der MgO-Rohstoffe werden die Zutaten entsprechend der Zusammensetzung gemischt. Um das Sintern zu fördern und die Körner etwas größer werden zu lassen und um die Hydratationstendenz während der Herstellung zu verringern, können einige Zusatzstoffe wie TiO2, Al2O3, V2O3 usw. zugesetzt werden. Wenn hochreine MgO-Keramiken wie transparente MgO-Keramiken oder hochdichte elektrische Isolatoren erforderlich sind, kann die Methode der Förderung des Sinterns und des Kornwachstums durch Zugabe von Additiven nicht angewendet werden. Stattdessen wird das Aktivierungssinterverfahren angewendet, das heißt, Mg(OH)2 wird bei einer geeigneten Temperatur kalziniert, um aktives MgO mit vielen Gitterdefekten zu erhalten, das zur Herstellung gesinterter Magnesiumoxidkeramiken einschließlich Tiegeln, Rohren und Substraten für spezielle Anwendungen verwendet wird.
Im Anwendungsbereich kann die theoretische Betriebstemperatur von Magnesiumoxidkeramiken, einschließlich Sintermagnesia und Schmelzmagnesiaprodukten, bis zu 2200℃ erreichen und sie können kontinuierlich im Bereich von 1600℃ bis 1800℃ eingesetzt werden. Ihre Hochtemperaturstabilität und Korrosionsbeständigkeit sind denen von Aluminiumoxidkeramiken überlegen. Darüber hinaus reagieren sie nicht mit Fe, Ni, U, Th, Zn, Al, Mo, Mg, Cu, Pt usw. Ihr Anwendungsbereich kann daher umfassen: Tiegel oder andere feuerfeste Materialien wie Auskleidungssteine und Gussdüsen in der metallurgischen Industrie unter korrosiven Bedingungen wie in der Stahl- und Glasproduktion. Magnesiumoxidkeramiken können als Tiegel zum Schmelzen von Metallen verwendet werden und eignen sich auch zum Schmelzen von hochreinem Uran und Thorium in der Atomenergieindustrie. Sie können auch als Schutzhüllen für Thermoelemente verwendet werden. Durch Ausnutzung seiner Eigenschaft, elektromagnetische Wellen durchzulassen, kann es als Radarkuppel und als Material für Projektionsfenster für Infrarotstrahlung sowie als Tiegel zum Schmelzen von Metallen, Legierungen wie Nickellegierungen, radioaktiven Metallen, Uran- und Thoriumlegierungen, Eisen und seinen Legierungen usw. verwendet werden. Es kann auch als Rohstoff für piezoelektrische und supraleitende Materialien verwendet werden und ist schadstofffrei, beständig gegen Bleikorrosion usw. Es kann auch als Keramik verwendet werden Sinterträger wie Setterplatten und Brennhilfsmittel, insbesondere für Keramikprodukte mit korrosiven und bei hohen Temperaturen flüchtigen Substanzen wie β-Al2O3.
Berylliumoxidkeramik : Die Oxidkeramik mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit , aber die Toxizität des Pulvers schränkt ihre Anwendung ein .
BeO ist die einzige hexagonale Wurtzitstruktur unter den Erdalkalimetalloxiden. Aufgrund der Wurtzit-Struktur und der starken kovalenten Bindung von BeO sowie seines relativ geringen Molekulargewichts weist BeO eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit auf, die etwa zehnmal so hoch ist wie die von Aluminiumoxid. Seine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur kann 250 W/(m·K) erreichen, vergleichbar mit der von Metallen, und seine elektrischen Eigenschaften, Wärmebeständigkeit, Thermoschockbeständigkeit und chemische Stabilität sind alle bei hohen Temperaturen und hohen Frequenzen ausgezeichnet, wodurch es für Hochleistungskühlkörper und Mikrowellenfenstermaterialien geeignet ist. Der fatale Nachteil der BeO-Keramik, die allgemein als Beryllia-Keramik bezeichnet wird, ist jedoch ihre extrem hohe Toxizität. Langfristiges Einatmen von BeO-Staub kann zu Vergiftungen führen und sogar Leben gefährden. Darüber hinaus führt es zu einer Umweltverschmutzung, die die Produktion und Anwendung von BeO-Keramiksubstraten und -Komponenten wie Laserröhrengehäusen und HF-Transistorgehäusen stark beeinträchtigt.
Im Anwendungsbereich verfügen Berylliumoxidkeramiken wie BeO-Wärmeverteiler und hermetische Dichtungspakete über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Feuerfestigkeit, hervorragende Kerneigenschaften und hervorragende elektrische Eigenschaften. Daher können sie in fortschrittlichen feuerfesten Materialien und als Neutronenvervielfacher in Fusionsreaktoren, Atomenergiereaktoren und verschiedenen elektronischen Hochleistungsgeräten und integrierten Schaltkreisen, einschließlich Radarsystemen und Satellitenkommunikationsmodulen usw., eingesetzt werden. Die Toxizität von Berylliumoxid kann jedoch nicht ignoriert werden. Da Länder auf der ganzen Welt dem Umweltschutz zunehmend Bedeutung beimessen, kann die Verwendung von Berylliumoxidkeramik trotz ihrer unersetzlichen Rolle in bestimmten Wärmemanagementsystemen des Militärs und der Luft- und Raumfahrt in Zukunft bestimmten Einschränkungen und Einflüssen unterliegen.
Mullit: Ein allgemeiner Begriff für Mineralien , die aus Aluminiumsilikat bestehen .
Mullit ist ein hochwertiges feuerfestes Material. Diese Art von Mineral ist relativ selten. Mullit ist ein Mineral, das durch die Reaktion von Aluminiumsilikat bei hohen Temperaturen entsteht. Beim künstlichen Erhitzen von Aluminiumsilikat entsteht Mullit. Der natürliche Mullitkristall ist dünn, nadelförmig und hat eine strahlende Clusterform. Mulliterz wird zur Herstellung von feuerfesten Hochtemperaturmaterialien verwendet. Es wird häufig als Wärmedämmschicht in C/C-Verbundwerkstoffen verwendet und findet eine breite Anwendung. Mullit ist bei Normaldruck eine stabile binäre feste Lösung im Elementsystem AI2O3-SiO2. Der natürliche Mullit mit der chemischen Formel AI2O3-SiO2 ist sehr selten und wird meist durch Verfahren wie Sintern oder Elektroschmelzen synthetisiert.
Der in großtechnischen industriellen Anwendungen bei hohen Temperaturen verwendete Mullit wird aufgrund seiner Herstellungsmethode in zwei Haupttypen eingeteilt: elektrisch geschmolzener Mullit, der üblicherweise in feuerfesten Steinen und monolithischen Gussstücken verwendet wird, und gesinterter Mullit. Mullit ist ein hochwertiges feuerfestes Material. Es wurde erstmals auf der Isle of Mull in Schottland entdeckt und nach diesem Ort benannt. Die Aluminium- und Siliziumbestandteile von Mullit bilden eine Reihe und können bei normaler Temperatur und normalem Druck stabil existieren. Natürlicher Mullit ist relativ selten und wird normalerweise durch Wärmebehandlung von Aluminium-Silizium-Verbindungen hergestellt, um technische Mullit-Aggregate und -Körner herzustellen. Die Synthese von Mullit kann in Festphasensynthese (einschließlich des traditionellen Sol-Gel-Verfahrens (SSG)), Flüssigphasensynthese und Gasphasensynthese unterteilt werden. Der durch Festphasen- und Flüssigphasenverfahren synthetisierte Mullit kann je nach Erhitzungstemperatur und Aluminium-Silizium-Zusammensetzung als gesinterter Mullit klassifiziert werden, der typischerweise in Brennhilfsmitteln und Keramikfiltern verwendet wird, sowie als geschmolzener Mullit. Unter gesintertem Mullit versteht man das Erhitzen der Rohstoffe aus synthetisiertem Mullit auf eine Temperatur, die eine kleine Menge flüssiger Phase erzeugt, wodurch das Sintern gefördert wird, ohne das Sintern in der festen Phase zu beeinträchtigen, und das anschließende Halten bei einer Temperatur, die es dem Mullit ermöglicht, zu kristallisieren und zu wachsen und so die gewünschte Mullitmorphologie und -struktur zu bilden. Schmelzmullit entsteht durch Erhitzen der Mischung aus Aluminiumoxid und Siliziumdioxid über den Mullit-Schmelzpunkt und kristallisiert während des Abkühlprozesses, um hochreine Schmelzmullitkörner für fortgeschrittene feuerfeste Anwendungen zu erzeugen. Das Sol-Gel-Verfahren zur Herstellung von Mullit wird auch als chemischer Mullit bezeichnet. Dabei handelt es sich um Mullit, der durch chemische Reaktionen, thermische Zersetzung und Mullitbildung gewonnen wird und so feine Mullitpulver für technische Keramik und Beschichtungen ergibt. Die Leistung von mit dieser Methode hergestelltem Mullit hängt stark von der Reinheit, Gleichmäßigkeit, Kristallisationstemperatur und Dichte der Verbindung ab.
Im Anwendungsbereich werden die feuerfesten neuen Materialien aus Mullit derzeit häufig in Hochtemperaturanlagen wie Muffelöfen, Kalzinierungsöfen, Kesseln und Drehrohröfen eingesetzt. Die Verwendung von Mullit zur Herstellung von Hochtemperaturgeräten gewährleistet nicht nur eine hohe Temperaturbeständigkeit, sondern weist auch eine lange Lebensdauer und Korrosionsbeständigkeit auf. In Kombination mit anderen hochwertigen Materialien kann Mullit seine Vorteile ergänzen und feuerfeste Materialien mit besserer Leistung bilden. Beispielsweise bietet das resultierende Material durch die Verwendung von Korund-Mullit-Verbundkeramik-Ofenkomponenten die Vorteile eines kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, einer hervorragenden Wärmeschockbeständigkeit, einer hohen Feuerfestigkeit und einer guten Hochtemperaturstabilität. Darüber hinaus beweist die Anwendung von Mullit im Bereich der elektrischen Leistung seine hervorragende Qualität als Grundmaterial. Es hat eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante und kann hohe Schaltkreisdichten verarbeiten. Mullitkeramik und Glaskeramik-Verbundwerkstoffe auf Mullitbasis werden als hervorragende Funktionsmaterialien für integrierte Hochleistungsschaltkreise eingesetzt.
1.1.2 Stickstoff- C - Eramika
Nitridkeramiken sind Keramiken, die durch die Kombination von Stickstoff mit Metallen oder nichtmetallischen Elementen entstehen. Sie sind eine Art wichtiger Struktur- und Funktionsmaterialien.
Nitridkeramik verfügt über hervorragende mechanische, chemische, elektrische, thermische und physikalische Hochtemperatureigenschaften. Sie finden umfangreiche Anwendungen in Branchen wie Metallurgie, Luftfahrt, Chemieingenieurwesen, Keramik, Elektronik, Maschinenbau und Halbleiter. Viele Nitride aus Stickstoff und Metallelementen sind jedoch bei hohen Temperaturen instabil und anfällig für Oxidation, sodass sie in der Natur nicht frei vorkommen und nur künstlich synthetisiert werden können. Derzeit umfassen die wichtigsten Synthesemethoden für Nitride kovalente Bindungstypen wie Bornitrid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid.
Aluminiumnitridkeramik : Das ideale Strukturmaterial für Schaltkreissubstrate und Verpackungen in der Mikroelektronikindustrie
Aluminiumnitrid (AlN) hat sich als neuartiger Keramikwerkstoff in den letzten Jahren zu einem der Forschungsschwerpunkte im Bereich neuer Materialien entwickelt. Obwohl AlN-Pulver aufgrund seiner inhärenten Schwierigkeiten beim Sintern bereits vor über hundert Jahren synthetisiert und hergestellt wurde, gab es in den folgenden Jahrzehnten nicht viele Studien zu AlN. In den 1950er Jahren wurden erstmals AlN-Keramiken wie einfache Tiegel und einfache Komponenten hergestellt, deren Festigkeit damals jedoch sehr gering war, was ihre industrielle Anwendung einschränkte. In den 1970er Jahren wurden dichte Nitrid-Aluminiumkeramiken einschließlich wärmeleitender Substrate und Keramikpakete hergestellt und eine Reihe hervorragender Eigenschaften wie hervorragende Wärmeleitfähigkeit, zuverlässige elektrische Isolierung, hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, niedrige Dielektrizitätskonstante und ein mit Silizium übereinstimmender Wärmeausdehnungskoeffizient festgestellt. Vor allem in den letzten Jahren, mit der rasanten Entwicklung der Mikroelektroniktechnologie, werden elektronische Geräte immer multifunktionaler, miniaturisierter und hochintegrierte elektronische Hochleistungsgeräte erzeugen im Betrieb große Mengen Wärme. Um den Ausfall elektronischer Geräte aufgrund von Überhitzung zu vermeiden, ist ein Substrat wie Direct-Bonding-Kupfersubstrate (DBC) und Dickschicht-Keramikschaltkreise mit hoher Wärmeleitfähigkeit erforderlich, um die Wärme abzuleiten. AlN verfügt über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und ist ein ideales Material für die neue Generation von Substraten, insbesondere Hochleistungs-LED-Substrate, HF-/Mikrowellenpakete und Komponenten für Halbleiterverarbeitungsgeräte wie elektrostatische Spannfutter und Heizplatten. Seine ausgezeichnete Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturstabilität, hohe Festigkeit und Härte machen es zu einem großen Potenzial für die Anwendung in Hochtemperatur-Strukturmaterialien, einschließlich Schutzrohren, Wärmetauschern und Komponenten für Luft- und Raumfahrtsysteme.
Aluminiumnitrid ist als kovalente Verbindung schwer in der Festphase zu sintern. Normalerweise wird das Flüssigphasen-Sinterverfahren angewendet, das heißt, dem Aluminiumnitrid-Rohstoffpulver werden Sinterhilfsmittel zugesetzt, die eine flüssige Phase erzeugen können, und durch die Auflösung entsteht eine flüssige Phase, um das Sintern zu fördern.
Da es sich um ein künstlich synthetisiertes Material handelt, umfasst der Herstellungsprozess von Aluminiumnitridkeramik normalerweise zunächst die Synthese von Aluminiumnitridpulver und das anschließende Sintern des erhaltenen Pulvers zur Bildung von Keramik. Aufgrund der hohen kovalenten Komponente der Aluminium-Stickstoff-Bindung (Al-N) in Aluminiumnitrid ist der Schmelzpunkt von Aluminiumnitrid hoch, der Selbstdiffusionskoeffizient klein und die Sinteraktivität gering. Daher handelt es sich um ein schwer zu sinterndes Keramikmaterial. Laut dem Herausgeber von China Powder Network ist es bei hoher Reinheit des Aluminiumnitridpulvers sehr schwierig, eine vollständige Verdichtung durch Sintern zu erreichen, und es gibt Poren in den Keramikkörnern oder an den Korngrenzen, was die praktische Anwendung von Aluminiumnitridkeramik stark einschränkt. Durch die Zugabe geeigneter Sinterhilfsmittel kann einerseits mit dem auf der Oberfläche von AlN gebildeten Al2O3 reagiert werden, um aufgrund des Oberflächenspannungseffekts der flüssigen Phase eine zweite Phase mit einem niedrigeren Schmelzpunkt zu erzeugen, was die Neuordnung der AlN-Körner fördert und den Verdichtungsprozess des Sinterkörpers beschleunigt. Andererseits fällt die gebildete zweite Phase nach dem Abkühlen an den Korngrenzen aus und kondensiert, wodurch die Möglichkeit verringert wird, dass bei hohen Temperaturen Sauerstoff in das Gitter eindringt, und eine Rolle bei der Reinigung des Gitters und der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit spielt. Zu den derzeit am häufigsten verwendeten Sinterhilfsmitteln gehören hauptsächlich Oxide und Fluoride. Zu den Oxiden gehören hauptsächlich Y2O3, Sm2O3, La2O3, Dy2O3 und CaO; während Fluoride CaF2, YF3 usw. umfassen. Unter diesen verfügt Y2O3 über eine starke Fähigkeit zur Sauerstoffentfernung, eine gute Stabilität und eine überlegene Gesamtleistung und wird zum am häufigsten verwendeten Sinterhilfsmittel; während CaO aufgrund seiner niedrigeren Flüssigphasenbildungstemperatur eine offensichtlichere Rolle beim Niedertemperatursintern spielt.
Im Anwendungsbereich weist Aluminiumnitridkeramik bei Raumtemperatur eine relativ hohe Festigkeit auf und wird durch Temperaturänderungen nicht so leicht beeinträchtigt. Außerdem weist es eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Es ist ein ausgezeichnetes hitzebeständiges Material und Wärmeaustauschmaterial. Als Wärmeaustauschmaterial soll es in den Wärmetauschern von Gasturbinen eingesetzt werden. Darüber hinaus ist Aluminiumnitridkeramik ein hochtemperaturbeständiges Material. Seine Wärmeleitfähigkeit ist hoch, mehr als fünfmal höher als die von Aluminiumoxidkeramik, und sein Ausdehnungskoeffizient ist niedrig, vergleichbar mit dem von Silizium. Das aus Aluminiumnitridkeramik als Hauptrohstoff hergestellte Substrat zur Herstellung von Direct-Bonding-Kupfersubstraten (DBC) und Dickschichtkeramikschaltungen weist hervorragende Eigenschaften wie hohe Wärmeleitfähigkeit, niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hervorragende elektrische Leistung und gute Lichtdurchlässigkeit auf. Es ist ein ideales Wärmeableitungssubstrat und Verpackungsmaterial für große integrierte Schaltkreise. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie der elektronischen Informationsindustrie ist die Miniaturisierung und Funktionsintegration von PCB-Substraten zu einem Trend geworden. Die Anforderungen des Marktes an die Wärmeableitungsleistung und Hochtemperaturbeständigkeit von Wärmeableitungssubstraten und Verpackungsmaterialien steigen ständig. Die Leistung relativ gewöhnlicher Substratmaterialien kann den Marktanforderungen nur schwer gerecht werden. Die Entwicklung von Aluminiumnitrid-Keramiksubstraten, einschließlich Substraten für Automobil-Leistungsmodule und Komponenten für Halbleiterfertigungsanlagen, hat eine Chance eröffnet.
Siliziumnitrid - Keramik : Eines der besten Materialien im Hinblick auf die Gesamtleistung unter den Hochleistungskeramiken
Mit der Entwicklung der modernen Wissenschaft und Technologie sind die Anforderungen an Strukturmaterialien in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrtenergie immer höher geworden. Die Entwicklung und Erforschung von Strukturmaterialien mit hervorragenden Eigenschaften wie hoher Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Reibungsbeständigkeit, hoher Festigkeit, hoher Härte und umfassender mechanischer Leistung sind äußerst wichtig geworden. Si3N4-Keramik, insbesondere gesintertes Siliziumnitrid (SSN) und reaktionsgebundenes Siliziumnitrid (RBSN), ist eines der Materialien mit der besten Gesamtleistung unter den Hochleistungskeramiken. Seine elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften sind sehr ausgezeichnet. Es kann bis zu 1400℃ in oxidierender Atmosphäre und bis zu 1850℃ in neutraler oder reduzierender Atmosphäre eingesetzt werden. Es hebt nicht nur die Vorteile allgemeiner Keramikmaterialien wie Härte, Wärmebeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit hervor, sondern besitzt auch Vorteile wie gute Thermoschockbeständigkeit, Hochtemperatur-Kriechfestigkeit, gute Selbstschmierung, ausgezeichnete chemische Stabilitätsleistung und relativ geringe Dichte, niedrige Dielektrizitätskonstante, geringer dielektrischer Verlust und andere ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften.
Das Molekulargewicht von Siliziumnitrid beträgt 140,28. Bezogen auf den Gewichtsanteil beträgt der Siliziumanteil 60,28 % und der Stickstoffanteil 39,94 %. Die Elektronegativitäten dieser beiden Elemente sind ähnlich. Im Siliziumnitridkristall werden die Si-N-Bindungen hauptsächlich durch kovalente Bindungen gebildet (wobei ionische Bindungen nur 30 % ausmachen), und die Bindungsstärke ist hoch. Siliziumnitrid hat keinen Schmelzpunkt. Es sublimiert und zersetzt sich bei 1870 °C unter Normaldruck und hat einen hohen Dampfdruck und einen sehr niedrigen Diffusionskoeffizienten. Die Si-Atome und N-Atome sind durch sehr starke kovalente Bindungen verbunden, was zu der hohen Festigkeit, hohen Härte, hohen Temperaturbeständigkeit und Isolationseigenschaften von Siliziumnitrid führt und es ideal für Produkte wie Kugellager, Schneidwerkzeuge und Turboladerrotoren macht. Aufgrund der starken kovalenten Bindung zwischen Si-Atomen und N-Atomen ist die Atomdiffusion bei hohen Temperaturen sehr langsam. Daher müssen während des Sinterprozesses Additive wie Yttriumoxid (Y₂O₃) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) hinzugefügt werden, die bei hohen Temperaturen eine flüssige Phase bilden, um die Diffusion zu fördern und die Sinterverdichtung zu beschleunigen.
Die Eigenschaften von Siliziumnitridkeramiken hängen eng mit der Sintermethode zusammen. Die mechanischen Eigenschaften von Siliziumnitrid bei hohen Temperaturen hängen weitgehend von der intergranularen Glasphase ab. Um die Sinterleistung von Siliziumnitrid zu verbessern, werden den Rohstoffen Sinterhilfsmittel zugesetzt. Bei hohen Temperaturen bilden die Sinterhilfsmittel eine Glasphase, die nach dem Abkühlen an den Korngrenzen verbleibt. Die Beibehaltung und Ausübung dieser Hochtemperatureigenschaft von Siliziumnitrid kann nur durch eine Korngrenzen-technische Behandlung erreicht werden. Andernfalls führt die Erweichung der interkristallinen Glasphase bei hohen Temperaturen zu einem Korngrenzenschlupf, der erhebliche Auswirkungen auf die Hochtemperaturfestigkeit, das Kriechen und die langsame Rissausbreitung bei statischer Ermüdung hat. Die Geschwindigkeit der Korngrenzenverschiebung hängt von den Eigenschaften (z. B. Viskosität) der Glasphase, ihrer Menge und Verteilung ab.
Im Anwendungsbereich ist Si3N4-Keramik, einschließlich Hochleistungsqualitäten wie heißgepresstes Siliziumnitrid (HPSN) und gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPSN), ein wichtiger Strukturwerkstoff. Es handelt sich um eine extrem harte Substanz, die von Natur aus gleitfähig und verschleißfest ist. Außer Flusssäure reagiert es nicht mit anderen anorganischen Säuren. Es verfügt über eine starke Korrosionsbeständigkeit und ist bei hohen Temperaturen beständig gegen Oxidation. Darüber hinaus hält es Thermoschocks stand und bricht nicht, selbst wenn es an der Luft auf über 1000 °C erhitzt und dann schnell abgekühlt und wieder erhitzt wird. Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wird Si3N4-Keramik häufig zur Herstellung mechanischer Komponenten wie Lager, insbesondere Vollkeramiklager und Hybridkeramiklager, Turbinenschaufeln, mechanische Dichtungsringe und Dauerformen, verwendet. Unter anderem kann Si3N4 durch die Ausnutzung des geringen Gewichts und der hohen Steifigkeit zur Herstellung von Kugellagern verwendet werden, die eine höhere Präzision als Metalllager aufweisen, weniger Wärme erzeugen und bei höheren Temperaturen und korrosiven Medien betrieben werden können. Die aus Si3N4 gefertigten Dampfdüsen wie Injektordüsen und verschleißfeste Liner verfügen über verschleißfeste und hitzebeständige Eigenschaften. Nach mehrmonatigem Einsatz in einem 650°C-Kessel weisen sie keine offensichtlichen Schäden auf, während andere Düsen aus hitzebeständigem und korrosionsbeständigem legiertem Stahl unter den gleichen Bedingungen nur 1-2 Monate lang verwendet werden können.
Bornitrid - Keramik : Eine weiche Keramik unter den Keramikwerkstoffen mit hervorragenden mechanischen Verarbeitungseigenschaften
Bornitrid wurde vor über 100 Jahren erfunden. Seine früheste Anwendung war hexagonales Bornitrid [abgekürzt als h-BN oder a-BN oder g-BN (d. h. Bornitrid vom Graphittyp)], das als Hochtemperaturschmiermittel und als Formtrennmittel beim Gießen von Nichteisenmetallen verwendet wurde. h-BN hat nicht nur eine ähnliche Struktur wie Graphit, sondern auch ähnliche Eigenschaften und ist von Natur aus weiß, weshalb es allgemein als weißer Graphit bekannt ist. Bornitrid (BN)-Keramik wurde bereits 1842 als Verbindung entdeckt. Das Ausland führte nach dem Zweiten Weltkrieg umfangreiche Forschungen zu BN-Materialien durch und wurde erst entwickelt, nachdem 1955 die thermische Pressmethode von BN gelöst wurde. 1957 entwickelte ein Forscher erfolgreich CBN-Schleifkörner aus kubischem Bornitrid, und 1969 verkaufte ein bestimmtes Unternehmen es unter dem Markennamen Borazon. 1973 kündigten die USA die Produktion von CBN-Schneidwerkzeugen an. 1975 führte Japan Technologie aus den USA ein und produzierte auch CBN-Schneidwerkzeuge. 1979 nutzte Sokolowski erfolgreich die gepulste Plasmatechnologie zur Herstellung von c-BN-Filmen bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck. In den späten 1990er Jahren konnten verschiedene Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) und der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) zur Herstellung von c-BN-Filmen eingesetzt werden. Es verfügt über eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit, thermische Stabilität, Wärmeleitfähigkeit und Durchschlagsfestigkeit bei hohen Temperaturen und ist somit ein ideales Wärmeableitungsmaterial in Form von thermischen Schnittstellenpads und elektrisch isolierenden Substraten sowie Hochtemperatur-Isoliermaterial. Bornitrid weist eine gute chemische Stabilität auf und kann der Erosion der meisten geschmolzenen Metalle widerstehen. Es verfügt außerdem über gute Selbstschmiereigenschaften. Die Härte von Bornitrid-Produkten wie heißgepressten BN-Komponenten und pyrolytischen BN-Beschichtungen ist gering und ermöglicht eine mechanische Bearbeitung mit einer Genauigkeit von 1/100 mm.
In der Vorbereitungsphase für kovalente Bindungsverbindungen ist die übliche Methode die Zugabe von Sinterhilfsmitteln. Zu den am häufigsten verwendeten Sinterhilfsmitteln für BN gehören B2O3, Si3N4, ZrO2, SiO2, BaCO3 usw. Derzeit gibt es viele Methoden zur Herstellung von Bornitridpulver. Basierend auf ihren Prinzipien können sie grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: Die eine ist die Synthesemethode, die hauptsächlich die Hochtemperatursynthesemethode, die Sol-Gel-Synthesemethode, die Templatmethode und die chemische Gasphasenabscheidungsmethode (CVD) umfasst; die andere ist die Peeling-Methode, einschließlich der Flüssigphasen-Ultraschall-Peeling-Methode, der Laserätz-Peeling-Methode, der mechanischen Kugelmahlmethode usw. Mit der kontinuierlichen Vertiefung der Forschung zu Bornitrid wurden nach und nach die Eigenschaften einiger nanostrukturierter Bornitride entdeckt. Einerseits weisen die Nanopulver eine hohe spezifische Oberflächenenergie und eine hohe Sinteraktivität auf, was die Verdichtung von h-BN-Keramiken wirksam fördern kann; Andererseits kann die Verwendung von Nanopulvern als Rohmaterialien die Sintertemperatur senken, die Korngröße des gesinterten Keramikkörpers verringern, die Zähigkeit der Keramik verbessern und die mechanischen Eigenschaften von h-BN-Keramik für Anwendungen in Hochtemperaturofenvorrichtungen und Halbleiterverarbeitungsvorrichtungen verbessern und so den Grundstein für die großtechnische Anwendung von h-BN-Keramik in der Industrie legen.
Im Anwendungsbereich kann Bornitrid zur Herstellung von Tiegeln zum Schmelzen von Halbleitern und Hochtemperaturbehältern für die Metallurgie verwendet werden, insbesondere von Tiegeln und Brechringen aus Bornitrid für Strangguss, Halbleiter-Wärmeableitungs- und Isolierteilen, Hochtemperaturlagern, Thermoelementhülsen und Glasformformen usw. Das üblicherweise hergestellte Bornitrid hat eine Graphitstruktur und wird allgemein als weißer Graphit bezeichnet. Der andere Typ ist diamantartig und ähnelt dem Prinzip der Umwandlung von Graphit in Diamant. Graphitähnliches Bornitrid kann bei hoher Temperatur (1800℃) und hohem Druck (800 MPa) in diamantähnliches Bornitrid umgewandelt werden. Bei dieser Art von Bornitrid ist die BN-Bindungslänge (156 µm) ähnlich der von Diamant (154 µm) und auch die Dichte ähnelt der von Diamant. Seine Härte ist mit der von Diamant vergleichbar, während seine Hitzebeständigkeit besser als die von Diamant ist. Es handelt sich um einen neuartigen hochtemperaturbeständigen superharten Werkstoff, insbesondere als Schneideinsätze und Schleifscheiben aus kubischem Bornitrid (CBN), der zur Herstellung von Bohrern, Werkzeugen und Schneidwerkzeugen verwendet wird.
Sialon - Keramik : Weichkeramik unter den Keramikwerkstoffen mit hervorragenden mechanischen Verarbeitungseigenschaften
Sialon ist eine Verbindung, die aus der Kombination der Elemente Si, Al, O und N besteht. Es wird als „Sialon“ transkribiert. Sialonkeramiken gehören zur Verbindungsreihe Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2. Es handelt sich um eine Art dichter polykristalliner Nitridkeramik, die auf der Basis von Si3N4-Keramik entwickelt wurde und durch teilweisen Ersatz der Si- und N-Atome in Si3N4 durch Al- und O-Atome aus Al2O3 entsteht. Sialon-Keramik wurde von Oyama und Forschern aus Japan (1971) sowie Jack und Wilson aus Großbritannien (1972) entdeckt. Bei ihrer Forschung zu verschiedenen Zusatzstoffen für Siliziumnitridkeramiken entdeckten sie feste Lösungen in Metallnitriden, nämlich die feste Lösung von Si3N4 im System SiO2-Al2O3, die das Sintern wirksam förderte und so zur Entdeckung von Sialon (Sialonkeramik) führte. Zu den Hauptkategorien von Sialonkeramiken gehören β'-Sialon, α'-Sialon und O'-Sialon, wobei die beiden ersteren am häufigsten vorkommen.
Im Vorbereitungsprozess sollten bei der Herstellung von Sialonkeramik ultrafeine und hochphasige Si3N4-Pulver ausgewählt werden. Um Materialien mit hervorragender Leistung zu erhalten, sollten geeignete Prozessmaßnahmen ergriffen werden, um die Zusammensetzung und Struktur der Korngrenzenphasen zu steuern. Da Sialon-Keramiken über einen breiten Bereich fester Lösungen verfügen, kann die Zusammensetzung von Sialon-Keramiken entsprechend der vorgegebenen Leistung gestaltet werden, indem das Komponentenverhältnis der festen Lösung angepasst wird. Durch entsprechende Anpassung der Zusatzmenge an Additiven kann das optimale Verhältnis von α-Sialon und β-Sialon erreicht und das Material mit der besten Festigkeits- und Härtekombination erreicht werden. Sialonkeramiken werden üblicherweise drucklos oder unter Heißpressen gesintert. Sie werden in einer inerten Atmosphäre bei 1600-1800℃ gesintert, und es können Sinterkörper mit einer nahezu theoretischen Dichte erhalten werden. Die Hauptzusätze sind MgO, Al2O3, AlN, SiO2 usw. Gleichzeitig können durch die Zugabe von Y2O3 und Al2O3 Sialonkeramiken mit sehr hoher Festigkeit erhalten werden. Darüber hinaus kann die Zugabe von Y2O3 die Sintertemperatur von Sialonkeramiken senken. Der Herstellungsprozess von Sialonkeramik unter Normaldruck besteht darin, Si3N4-Pulver mit einer geeigneten Menge Al2O3-Pulver und AlN-Pulver zu mischen und es dann in einer N2-Atmosphäre bei 1700℃ zu sintern. Die Eigenschaften der festen Lösung variieren je nach Zusammensetzung und Verarbeitungstemperatur.
Auf der Anwendungsseite
Als neuartige Hochtemperatur-Strukturkeramik mit herausragender Leistung bietet Sialon-Keramik breite Anwendungsaussichten in der Militärindustrie, der Luft- und Raumfahrtindustrie, dem Maschinenbau, der Elektronikindustrie und anderen Bereichen.
Sialon-Keramik zeichnet sich durch hohe Härte und hervorragende Verschleißfestigkeit aus und wird in der Maschinenindustrie zur Herstellung von Lagern, Dichtungen, Schweißhülsen, Positionierungsstiften und verschleißfesten Komponenten eingesetzt. Sie können auch als Strömungsverteiler für Strangguss, Thermoelement-Schutzrohre, Kristallzüchter, Tiegel, Auskleidungen für den unteren Teil von Hochöfen, Ziehdorne für Rohre aus Kupfer-Aluminium-Legierungen sowie als Gesenkmaterialien für Walz-, Extrusions- und Druckgussprozesse verwendet werden.
Darüber hinaus eignet sich Sialon-Keramik zur Herstellung von Schneidwerkzeugen – ihre Rothärte übertrifft die von WC-Co-Hartmetallen und Aluminiumoxid und ermöglicht Hochgeschwindigkeitsschneiden, selbst wenn die Temperatur der Werkzeugspitze 1000 °C übersteigt. Sie können auch zu transparenten Keramiken (z. B. Hochdruck-Natriumlampenröhren, Fenster für Hochtemperatur-Infrarot-Thermometer) verarbeitet und als Biokeramik zur Herstellung künstlicher Gelenke und anderer Implantate verwendet werden.
