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Herstellung flüssigphasengesinterter Schichtkomposite aus SiC und AlN
(2003) Wildhack, Stefanie; Aldinger, Fritz (Prof. Dr. rer. nat.)
In Systemen, die neben oxidkeramischen Komponenten auch nichtoxidische enthalten bzw. hauptsächlich auf nichtoxidischen Partikeln basieren, stellen kolloidale Formgebungsverfahren besondere Anforderungen an die Eigenschaften der Suspension. Dies betrifft zum einen den Hydrolyseschutz von Materialien wie AlN in wässrigen Suspensionsmedien, zum anderen spielt die Vereinbarkeit der Oberflächenladungszustände bei der Formulierung stabiler mehrkomponentiger Schlicker eine entscheidende Rolle. Unter den nichtoxidischen Keramiken ist die Materialpaarung SiC : AlN für die Synthese von Schichtkompositen aufgrund der thermochemischen Kompatibilität unter Herstellungsbedingungen und des ähnlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens besonders interessant. Die kovalenten Bindungsanteile der nichtoxidischen Verbindungen SiC und AlN legen es hierbei nahe, für die Verdichtung auf Sinterverfahren unter Beteiligung einer Flüssigphase zurückzugreifen. Die Anwendung des Flüssigphasensinterns auf Schichtsysteme ist bisher noch kaum untersucht worden. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit die Herstellbarkeit von Schichtverbundwerkstoffen der Materialkombination SiC : AlN durch Kolloid - Pulvertechnologie und Flüssigphasensintern untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Erarbeitung der suspensionsgestützten Prozesse zur Fertigung der freistehenden Vielschichtkomposite. Dazu wurden aus der Reihe der nassen Formgebungsverfahren die zentrifugale sowie die elektrophoretische Abscheidung gewählt. Im letzteren Fall wurde ausschließlich mit nichtwässrigen Suspensionen gearbeitet, um Elektrolyseerscheinungen und Redoxreaktionen an den Elektroden, die die elektrophoretische Abscheidung im Wässrigen in der Regel begleiten, auszuschließen. Bei der zentrifugalen Abscheidung dagegen wurden sowohl nichtwässrige als auch wässrige Schlicker verwendet; damit ergab sich die Notwendigkeit, einen für AlN effektiven Schutzmechanismus gegen Hydrolyse zu schaffen. Die Untersuchung verschiedener oberflächenaktiver Substanzen hinsichtlich der zeitlichen Änderung des pH - Wertes der Suspensionen sowie der spezifischen Oberfläche und der Phasenzusammensetzung der ausgelagerten Pulver ergab, dass eine Zersetzung des AlN durch die Verwendung von Citronensäure sowie Polyacrylsäure über genügend lange Zeiträume hinweg unterbunden werden kann. Die beiden organischen Säuren bilden stabile Komplexe auf der Teilchenoberfläche, ohne die Benetzungseigenschaften des Pulvers zu verschlechtern. Bei der Dispergierung der SiC - und AlN - Pulver im jeweiligen Lösungsmittel wirken interpartikuläre Kräfte, welche eine effektive Stabilisierung erlauben; die Schlickerformulierung muss jedoch dem Formgebungsverfahren angepasst werden. Dabei sind vielfältige Nebenbedingungen zu erfüllen. Als Charakterisierungsmethoden zur Evaluierung der Suspensionen wurden in erster Linie Messungen von Zetapotential und Korngröße sowie die visuelle Auswertung von Standversuchen eingesetzt. Bei der zentrifugalen Abscheidung werden schwach flockulierte Schlicker zur Herstellung dichter, homogener Grünproben bevorzugt. Dies wird in den wässrigen SiC - und AlN - Suspensionen durch einen Arbeitspunkt um pH 5 erreicht. Bei diesem pH - Wert führt Citronensäure in Kombination mit der organischen Base Triethylamin gemäß dem sogenannten elektrostatischen Ansatz zur Reduzierung der Doppelschichtdicke. Die chemische Stabilität des AlN bleibt dabei auch nach der zur Stabilisierung der Schlicker notwendigen Zugabe des basischen Dispergators erhalten. In nichtwässrigen Systemen, die beispielsweise auf dem aprotischen Dispergiermedium Diethylformamid (DEF) basieren, können die zur Zentrifugation geeigneten Oberflächenpotentiale bei AlN beispielsweise durch die Zugabe von Fructose und einen hohen Citronensäureanteil eingestellt werden. Durch die sehr kurzreichweitige sterische Stabilisierung bei gleichzeitiger Erhöhung der Ionenstärke wird auf diese Weise ein sekundäres Minimum in der Potential - Abstandskurve erzeugt. Bei der Herstellung der Schichtkomposite durch elektrophoretische Abscheidung kommen hoch stabile Schlicker zum Einsatz. Die Untersuchung zahlreicher Lösungsmittel- und Dispergatorsysteme führte letztlich zur Formulierung der folgenden optimierten Schlickersysteme: (1) SiC (AlN, Y2O3) in DEF / Butylamin, (2) AlN (Y2O3) in DEF / Butylamin und Citronensäure Die gefertigten Grünproben wurden durch Flüssigphasensintern verdichtet, wobei Y2O3 als Additiv für AlN und ein Gemisch aus Y2O3 und AlN als Sinterhilfsmittel für SiC verwendet wurden. Bei Sintertemperaturen von 1900 °C und einem Stickstoffüberdruck von 0,1 MPa können additivfreie AlN - Schichten im Komposit erzielt werden. In den elektrophoretisch abgeschiedenen Proben liegen zusätzlich scharf begrenzte, gut haftende Schichten vor, in denen die Mischkristallbildung unterdrückt ist.