Wirkung von Additiven auf gesintertes Siliziumkarbid

Drucklos gesintertes Siliciumcarbid gilt als das vielversprechendste gesinterte Siliciumcarbid, und mit dem drucklosen Sinterverfahren können komplexe Formen und große Größen von Siliciumcarbidkeramik hergestellt werden. Je nach dem Sintermechanismus kann diese Art von gesintertem Siliciumcarbid weiter in Festphasensintern und Flüssigphasensintern unterteilt werden. β-SiC, das Spuren von SiO enthält, kann bei Atmosphärendruck durch Zugabe von B und C gesintert werden. Diese Methode verbessert die Sinterkinetik von Siliciumcarbid erheblich. Bei Dotierung mit einer angemessenen Menge an B befindet sich B während des Sinterns an den SiC-Korngrenzen und bildet teilweise eine feste Lösung mit SiC, wodurch die Korngrenzenenergie von SiC verringert wird. Die Dotierung mit einer moderaten Menge an freiem C ist für das Festphasensintern von Vorteil, da die SiC-Oberfläche normalerweise mit einer geringen Menge an SiO oxidiert ist und die Zugabe einer moderaten Menge an C dazu beiträgt, dass der SiO-Film auf der SiC-Oberfläche reduziert und entfernt wird, wodurch die Oberflächenenergie erhöht wird. Die Flüssigphasensinterung wirkt sich jedoch negativ aus, da C mit den Oxidzusätzen reagiert und Gas erzeugt, wodurch eine große Anzahl von Öffnungen im keramischen Sinterkörper entsteht, was den Verdichtungsprozess beeinträchtigt. Die Reinheit, Feinheit und Phasenzusammensetzung des Rohmaterials sind sehr wichtig für den Sinterprozess von Siliziumkarbid.S.Proehazka hat gesintertes Siliziumkarbid mit einer Dichte von mehr als 98% bei 2020°C unter Atmosphärendruck gesintert, indem er ultrafeinen β-SiC-Pulvern (mit weniger als 2% Sauerstoff) gleichzeitig entsprechende Mengen von B und C zugesetzt hat. Das SiC-B-C-System gehört jedoch zur Kategorie der Festphasensinterung, die eine hohe Sintertemperatur und eine niedrige Bruchzähigkeit erfordert; die Bruchart ist ein typischer Durchkristallbruch, grobe Körner und schlechte Gleichmäßigkeit. Die ausländische Forschung zu SiC konzentriert sich hauptsächlich auf die Flüssigphasensinterung, d. h. eine bestimmte Anzahl von Sinteradditiven bei einer niedrigeren Temperatur, um eine Verdichtung von SiC zu erreichen. Die Flüssigphasensinterung von SiC senkt nicht nur die Sintertemperatur im Vergleich zur Festphasensinterung, sondern verbessert auch die Mikrostruktur, so dass die Eigenschaften des Sinterkörpers im Vergleich zu denen des Festphasensinterkörpers verbessert werden.
M. Omori et al. verwendeten Seltenerdoxide in Mischung mit AlO oder Boriden, um SiC dicht zu sintern. Suzuki hingegen sinterte SiC nur mit AlO als Zusatzstoff bei etwa 2000 °C. A. Mulla et al. sinterten 0,5 μm β-SiC (mit einer geringen Menge SiO auf der Oberfläche der Partikel) mit AlO und YO als Zusatzstoffe bei 1850-1950°C und erhielten eine relative Dichte von SiC-Keramik, die mehr als 95% der theoretischen Dichte betrug, und die Körner waren fein, mit einer durchschnittlichen Größe von 1,5 μm.
Die Mikrostruktur der Siliziumkarbidkeramik weist grobe Körner und eine stäbchenartige Struktur mit guter Bruchzähigkeit auf. Die stäbchenförmigen Körner erhöhen die Bruchzähigkeit, während sie die Festigkeit der Siliciumcarbidkeramik verringern. Um eine bessere Festigkeit und Zähigkeit bei gleichzeitiger Senkung der Sintertemperatur zu erreichen, wurden viele Versuche unternommen, die Eigenschaften dieses gesinterten Siliciumcarbids durch Anpassung der Glasphasenzusammensetzung mit verschiedenen Zusatzstoffen zu verbessern. Während des Sinterprozesses führten die Einführung der flüssigen Phase an der Korngrenze und die einzigartige Grenzflächenstruktur zu einer Schwächung der Grenzflächenstruktur und der Bruch des Materials änderte sich zu einem vollständigen Bruchmodus entlang des Kristalls, was zu einer erheblichen Steigerung der Festigkeit und Zähigkeit des Materials führte. In Anbetracht der Tatsache, dass die Verwendung von AlO-Zusatzstoffen eine glasartige Phase mit niedrigem Schmelzpunkt und hoher Flüchtigkeit erzeugt, die sich bei höheren Temperaturen stark verflüchtigt, was zu einem Gewichtsverlust des Materials führt und die Verdichtung des Materials beeinträchtigt, sollte der Massenanteil von AlO im Zusatzstoff entsprechend erhöht werden.