Temperature-induced direct casting of SiC

Abstract

Auf Grund von Fortschritten im grundlegenden Verständnis der Teilchenwechselwirkung in Suspensionen finden Direktgießverfahren zur Herstellung von Grünteilen in der Technik im Hinblick auf eine Erhöhung der Zuverlässigkeit keramischer Bauteile und eine Reduktion der Fertigungskosten zunehmendes Interesse. Durch Kontrolle von pH, Ionenstärke und adsorbierter Mengen organischer Hilfsstoffe (Dispergiermittel) können Schlicker kontrolliert flockuliert werden und damit eine „Erstarrung“ eines in eine Form gefüllten Schlickers bewirkt werden. SiC-Schlicker und modifiziertes AlN-Pulver jeweils mit 40 Vol.-% Feststoffgehalt wurden mittels Ammoniak bzw. Salpetersäure auf pH 10 eingestellt. Ferner wurde ein Y2O3-Schlicker mit 40 Vol.-% Feststoffgehalt mit Hilfe von TAC hergestellt (Kapitel 7.1.4.2). Alle drei Schlicker wurden mit einer Planetenkugelmühle bei niedriger Drehrate gemischt, in eine Form gegossen und der Grünkörper nach zwei Stunden im Trockenschrank bei 70 °C entformt. Ein Schlicker mit mehr als 40 Vol.-% Feststoffgehalt ist auf diese Weise nicht gießbar. Zur sterischen Kolloidstabilisierung wurde PEI als Dispergierhilfsmittel eingesetzt. Auf diese Weise wurden gießbare SiC- und AlN-Schlicker mit 50 Vol.-% Feststoffgehalt hergestellt. Außerdem wurde ein Y2O3-Schlicker mit 40 Vol.-% Feststoffgehalt ohne TAC hergestellt, der die gleichen Kolloideigenschaften wie die SiC- und AlN-Schlicker hat. Alle drei Schlicker wurden eine halbe Stunde in der Planetenkugelmühle gemischt. Die Stabilität dieses sterisch stabilisierten SiC/AlN/Y2O3-Schlickers ist in geeigneter Weise temperaturabhängig. Der Schlicker beginnt bei 50 °C zu gelieren. Nach 2 Stunden kann der Grünkörper entformt werden. Durch eine Optimierung der Schlickerformulierung wurde also ein Direktgießverfahren gefunden, das auf einer erfolgreichen temperaturabhängigen Koagulation von SiC-Schlicker beruht. Bei diesem Verfahren werden lediglich 1 Gew.-% organischer Additive benötigt.

Silicon carbide is an important engineering ceramic for structural and electrical applications because of its excellent mechanical properties at high temperature. The application of advanced ceramics in engineering structures largely depends on the possibility of reliable mass production of complex-shaped parts at an acceptable cost. The machining of fired ceramic preforms is very costly, and may cause substantial surface flaws. In order to improve the forming technology, the colloidal processing is under development. Through temperature-oriented control of pH, ion strength and adsorption of organic additives (dispersants) the ceramic suspension can be coagulated in a controllable way. For temperature - induced direct casting two possible forming methods are suggested. In the first method, SiC and AlN suspensions each with a solid loading of 30-40 vol% are dispersed at pH 10 using NH4OH and HNO3 for pH adjusting, respectively. Suspensions of 30-40 vol% Y2O3 were dispersed using 0.05 wt% TAC. The three suspensions were mixed by ball milling at low velocity. The mixture was cast and put into an oven at 70°C. The green body was demolded after 2 hours. The amount of dispersant in the Y2O3 powder is as low as 0.05 wt% thus no defined burnout is needed. However, the solid loading is relatively low for obtaining high density green bodies; In the second method, a SiC suspension was prepared by adding 1 wt% of PEI. Suspensions of sintering additives Y2O3 and AlN were prepared by adjusting the pH. After combining the suspensions, the mixture was cast in a mold and put into an oven at 70°C. The green body was demolded successfully after 2 hours. In this processing method, the conformation of the polymer is changed by raising temperature, allowing a successful dispersion of the inorganic powders at room temperature and solidification at elevated temperature, of suspension with a solid loading of up to 50 vol%.