Gesintertes Siliziumnitrid

Gesintertes Siliziumnitrid (SSN) ist ein Hochleistungskeramikwerkstoff. Es zeichnet sich durch geringe Dichte und eine hohe Beständigkeit gegenüber Temperaturwechseln, Verschleiß und Bruchzähigkeit aus. Daher gewährleisten Bauteile aus SSN auch unter Bedingungen wie schnellen Temperaturwechseln, mechanischer Belastung und abrasivem Kontakt eine zuverlässige Funktion. Aus diesem Grund ist es ein wichtiger Bestandteil in anspruchsvollen Anwendungen der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Elektronik- und Industriebranche.

Was ist gesintertes Siliziumnitrid?

Gesintertes Siliziumnitrid (SSN) entsteht durch das Verpressen von feinem Siliziumnitridpulver mit Bindemitteln. Der Grünling wird anschließend unter kontrollierter Atmosphäre gesintert, um einen dichten polykristallinen Körper zu bilden. Die Additive fördern das Sintern in der flüssigen Phase, und die Atmosphäre (üblicherweise Stickstoff unter hohem Druck) verhindert die Zersetzung des gesinterten Siliziumnitrids während des Hochtemperaturprozesses. Die üblichen Verarbeitungstemperaturen für SSN liegen je nach Verfahren im Bereich von ca. 1750–2080 °C.

Die Dichte und Festigkeit heutiger Sinterkörper sind mit denen heißgepresster Varianten vergleichbar und zudem im Vergleich zu früheren Sintersiliziumnitridwerkstoffen kostengünstiger in der Herstellung.

Arten von gesintertem Siliziumnitrid

Siliziumnitrid-Werkstoffe unterscheiden sich im Allgemeinen durch ihren Verarbeitungsprozess; ein Prozess führt zu einer etwas anderen Mikrostruktur und einem anderen Eigenschaftsprofil.

Reaktionsgebundenes Siliciumnitrid (RBSN)

Hergestellt durch Nitrieren von Siliziumverbindungen (Si → Si₃N₄) bei einer Temperatur von ca. 1400 °C (2552 °F). Reaktionsgebundenes Siliziumnitrid reduziert sich bei der Verarbeitung kaum und eignet sich daher für endkonturnahe Teile und Komponenten, bei denen die Maßgenauigkeit wichtig ist.

Während der Reaktion diffundiert Stickstoff in das poröse Siliziumkompaktat und wandelt einen Teil des Siliziums in Siliziumnitrid um, wodurch die Struktur ohne Anwendung von äußerem Druck verbunden wird.

Da das Reaktionsbindungsverfahren aufwändige Diamantschleifschritte vermeidet, lassen sich RBSN-Bauteile deutlich kostengünstiger herstellen als viele vollständig verdichtete Siliziumnitrid-Typen. Selbst bei einer typischen Porosität von 20–30 % weist das Material eine hohe mechanische Festigkeit auf und erreicht üblicherweise Biegefestigkeiten im Bereich von 200–400 MPa.

Heißgepresstes Siliziumnitrid (HPSN)

Heißgepresste Siliziumnitridkeramiken werden durch gleichzeitige Anwendung hoher Temperatur und uniaxialem Druck hergestellt. Dadurch entsteht eine nahezu theoretisch dichte Mikrostruktur mit minimaler Porosität und einer glasartigen Binderphase. Im Vergleich zu gasgesintertem Siliziumnitrid weist die heißgepresste Variante daher überlegene mechanische und thermische Eigenschaften auf. Heißgepresstes Siliziumnitrid zeigt eine Biegefestigkeit im Bereich von 900 MPa, eine Dichte von 3.2–3.4 g/cm³ und eine Härte von etwa 17 GPa.

Seine Wärmeleitfähigkeit ist mit 23–25 W/m·K ebenfalls deutlich höher, und es ermöglicht Betriebstemperaturen über 1,300 °C in inerter Atmosphäre. Aufgrund der komplexen und kostspieligen Verarbeitung wird HPSN ausschließlich für hochwertige Spezialbauteile wie Turbinenkomponenten für die Luft- und Raumfahrt, Hochpräzisionslager und Hochleistungselektroniksubstrate verwendet.

Drucklos gesintertes Siliziumnitrid (SSN)

In Druckloses SinternDie Presslinge werden unter Stickstoffatmosphäre (oder in einem Pulverbett) ohne Druck erhitzt. Obwohl der Formgebungsschritt einfacher als Heißpressen ist, erfordert der gesamte Sinterprozess komplexe Hochtemperaturanlagen und kann kostspielig sein. Das Verfahren weist zudem eine hohe lineare Schrumpfung (bis zu ca. 20 %) auf, die, wenn sie nicht kontrolliert wird, zu Rissen oder Dimensionsverformungen führen kann.

Es zeichnet sich durch hohe Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Bruchzähigkeit aus, da seine starke kovalente Bindung für eine hohe mechanische Festigkeit sorgt. Die Bildung einer stabilen Siliciumdioxidschicht auf seiner Oberfläche verhindert weitere Oxidation, und seine verzahnte Kornstruktur trägt dazu bei, Risse abzulenken und die Zähigkeit zu verbessern.

Dies liegt an der dichten polykristallinen Mikrostruktur, die durch längliche β-Si₃N₄-Körner und eine gut kontrollierte Sekundärphase verstärkt wird. Typische Sintertemperaturen liegen bei 1750 °C und höher.

Gesintertes reaktionsgebundenes Siliziumnitrid (SRBSN)

Gesintertes reaktionsgebundenes Siliziumnitrid (SRBSN) wird hergestellt, indem reaktionsgebundenes Siliziumnitrid mit geeigneten Sinterhilfsmitteln versetzt und anschließend einer Hochtemperaturverdichtung unterzogen wird, typischerweise zwischen 1780 °C und 2000 °C unter Stickstoffüberdruck.

Das Verfahren liefert Artikel mit sehr geringer Sinterschrumpfung (ca. 5 – 10 %), was die Herstellung von Bauteilen in nahezu endgültiger Form ermöglicht.

Es wurde gezeigt, dass zwei SRBSN-Systeme mit MgO- und Y₂O₃-Zusätzen eine Mikrostruktur und Eigenschaften erreichen, die mit entsprechenden heißgepressten Si₃N₄-Systemen vergleichbar sind.

Diese Eigenschaften machen SRBSN zu einem attraktiven Verfahren, wenn bei Strukturbauteilen minimale Dimensionsänderungen und hohe keramische Eigenschaften erforderlich sind. 3

Gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPSSN)

Das Gasdrucksinterverfahren ermöglicht die Herstellung hochdichter, nahezu porenfreier Siliziumnitridkeramiken mit minimalem Einsatz von Sinterhilfsmitteln. Diese Bauteile zeichnen sich durch hohe Festigkeit, ausgezeichnete Zuverlässigkeit und sehr gute Hitzebeständigkeit aus.

Gasdruckgesinterte Siliziumnitrid-Bauteile werden in anspruchsvollen Umgebungen wie Turboladerrotoren in Automobilmotoren, Schneidwerkzeugen und Lagerkugeln für industrielle Anwendungen eingesetzt, was die Eignung des Materials für Hochleistungs- und hochzuverlässige Strukturbauteile widerspiegelt.

Eigenschaften von gesintertem Siliziumnitrid

Gesintertes Siliziumnitrid ist eine Kombination aus mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften, die seine breite Anwendung belegen:

Diese Nennwerte für Dichte, Elastizitätsmodul, Festigkeit, Zähigkeit, Härte und Zersetzungstemperatur sind typisch für moderne gesinterte Siliziumnitrid-Legierungen. Sie erklären, warum hochdichtes Siliziumnitrid Wälzlagerstähle in Wälzermüdungs- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen oft übertrifft. Seine geringere Dichte reduziert Zentrifugalkräfte und Kontaktspannungen, während seine hohe Dauerfestigkeit es ihm ermöglicht, wiederholter Belastung ohne Versagen standzuhalten. Zusammengenommen verringern diese Eigenschaften die thermischen und mechanischen Spannungen bei hohen Drehzahlen erheblich.

Anwendungen von gesintertem Siliziumnitrid

Automobile

Das Material findet Anwendung in rotierenden Teilen von Hubkolbenmotoren, Turboladerrotoren (geringere Massenträgheit reduziert das Turboloch), Lagern, Kipphebeln, Glühkerzen und Abgasreinigungskomponenten. Die geringe Dichte des Materials minimiert die Fliehkräfte in rotierenden Bauteilen, und seine thermische Beständigkeit sowie Verschleißfestigkeit verlängern deren Lebensdauer.

Elektronik

Siliziumnitrid dient in der Mikroelektronik als elektrischer Isolator und Diffusionsbarriere (Passivierungsschichten, dielektrische Barrieren) und wird in Schutzgehäusesubstraten eingesetzt, wo die Diffusion von Wasser und Natrium eingeschränkt werden muss. Seine moderate Dielektrizitätskonstante und die geringen Hochfrequenzverluste machen es für Hochfrequenzbauelemente attraktiv; seine Elastizität und Stabilität sind in mikroelektromechanischen Sensoren, wie beispielsweise in Cantilevern der Rasterkraftmikroskopie, von Vorteil.

Optik & Photonik

Siliziumnitrid findet aufgrund seiner Breitbandtransparenz (sichtbares Licht bis mittleres Infrarot), seiner geringen Verluste und seiner Kompatibilität mit der Halbleiterfertigung Anwendung in der integrierten Photonik (Si₃N₄-Photonik). Es ermöglicht biophotonische Sensoren, Wellenleiter für die Telekommunikation/Datenkommunikation, optische Signalverarbeitung und Sensorik.

Schweißindustrie

Stahlbauteile wie Schweißwalzen werden zunehmend durch moderne Siliziumnitridkeramik ersetzt. Diese zeichnet sich durch bessere Verschleißfestigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und längere Lebensdauer unter häufigen Temperaturwechseln aus.

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