Nanostrukturiertes flüssigphasengesintertes Siliziumcarbid

Abstract

Am Max-Planck-Institut für Metallforschung wird seit etwa 1993 intensiv flüssigphasengesintertes Siliziumcarbid-Keramik (LPS-SiC) untersucht. Ein wesentliches Ziel ist hierbei, durch Gefügedesign und Optimierung der Sinterprozesse und -additive die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Die vorliegende Arbeit zeigt einen Weg auf, wie durch Modifikationen der klassischen pulvermetallurgischen Herstellungsroute für flüssigphasengesintertes SiC vollständig verdichtete Gefüge mit mittleren Korngrößen deutlich unter 100 nm erhalten werden können. Ausgegangen wird hierbei von kommerziell käuflichen SiC Pulvern mit einer durchschnittlichen Korngröße von 50 nm. Für die Herstellung wird neben speziellen Techniken zur Pulverkonditionierung und kolloidchemischen Methoden zur Erzielung einer hohen Grünkörperqualität vor allem die Verdichtungsmethode, Sinter-schmieden, zu einem wichtigen Faktor. Dieses Pulververdichtungsverfahren hat das Potenzial, durch Entkopplung der Verdichtungs- und Kornwachstumskinetik keramische Materialien (einschließlich kovalenter Materialien wie Carbide und Nitride) ohne nennenswertes Kornwachstum zu verdichten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden zudem mechanische Eigenschaften wie Härte, Bruchzähigkeit, Bruchfestigkeit und superplastischen Verformung gemessen. Dabei zeichnen sich sehr interessante Entwicklungen ab, die nanokristallinen SiC- Keramiken zeigen Festigkeiten bis > 1 GPa und hochtemperatur-superplastische Dehnungen bis größer 100 Prozent.

Since 1993 the Max-Planck Institute of Metals research has been investigating in liquid phase sintered silicon carbide ceramics (LPS-SiC). Important targets have been the optimisation of mechanical behaviour by micro-structure design and the tailoring of sintering processes by the method or additive variation. The present work shows the possibility to prepare nanostructured SiC ceramics with average grain sizes below 100 nm and theoretical density by a modified powder metallurgical route using commercial starting powders with average grain sizes of 50 nm or less. Special aspects of powder processing in order to enable the formation of high-quality greenbodies are investigated. Also the densification method of sinter forging is discussed intensively in this work. Sinter forging is a promising tool to separate grain growth kinetics from densification kinetics even for covalently bound materials. The result is a high densific without significant grain growth. The present work also adresses in mechanical properties like hardness, fracture toughness, mechanical strength and superplasticity. According to these results the nanocrystalline liquid phase sintered SiC ceramics showed an improvement of mechanical strength up to 1 GPa and high-temperature superplastic deformation with maximum elongation values in excess of 100 %.