Zuverlässige Siliziumkarbidfliesen für schwere Anwendungen

Siliziumkarbid ist ein außergewöhnlicher Werkstoff mit herausragender Härte und chemischer Beständigkeit, was es zu einer hervorragenden Wahl für industrielle Umgebungen macht, in denen es häufig zu Abrieb kommt. Darüber hinaus verringert sein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient das Risiko von Stößen.

Keramikmatten (auch als Platten bezeichnet) dienen als zentrales Stützelement in vielen Ofenkonstruktionen, darunter auch SiC-Öfen. Im Vergleich zu ihren Pendants aus Cordierit bieten Siliziumkarbid-Matten erhebliche Gewichts- und Energieeinsparungen.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Siliziumkarbid ist ein äußerst widerstandsfähiger Keramikwerkstoff, der für hohe Temperaturen, Thermoschocks, schnelle Temperaturwechsel und Strahlung ausgelegt ist – Eigenschaften, die ihn ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, wie beispielsweise bei Raumfahrzeugen, machen. Darüber hinaus senkt die Leichtbauweise von Siliziumkarbid den Treibstoffbedarf, der zum Erreichen der Umlaufbahn oder anderer Planeten erforderlich ist.

Nitridgebundenes Siliziumkarbid (NB-SiC) hält extremen Umgebungsbedingungen dank seiner überragenden Temperaturbeständigkeit und Kriechfestigkeit sowie seiner Bruchzähigkeit, Kriech- und Oxidationsbeständigkeit und chemischen Stabilität gut stand – diese Eigenschaften ermöglichen es ihm, seine strukturelle Festigkeit auch unter Belastung beizubehalten [129]. Darüber hinaus übertreffen seine geringere Dichte, höhere Schadetoleranz und größere Festigkeit metallische Superlegierungen, Oxid/Oxid-CMCs oder monolithische SiC-Keramiken [129].

Siliziumkarbid-Platten sind aufgrund ihrer Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Reibung seit langem die erste Wahl für Luft- und Raumfahrtingenieure. Dank ihrer Härte und geringen Dichte werden NB-SiC-Platten häufig für die Herstellung von Hyperschallflugzeugen, Raketenspitzen und Raumfahrzeugkomponenten verwendet.

Hervorragende Chemikalienbeständigkeit

Chemikalienbeständigkeit ist bei Materialien, die für verschiedene Anwendungsbereiche entwickelt wurden, von entscheidender Bedeutung. Sie gewährleistet, dass gedruckte Teile auch bei längerem Kontakt mit aggressiven Chemikalien wie Reinigungsmitteln, Reagenzien oder Alkoholtüchern funktionsfähig bleiben.

Eine hohe chemische Beständigkeit erfordert mehrere wesentliche Eigenschaften, darunter eine geringe Porosität, minimale Quellung und Zersetzung sowie gute mechanische Eigenschaften und Langlebigkeit auch unter mechanischer Beanspruchung und bei Temperaturwechselbeanspruchung. Um wirklich chemisch beständig zu sein, muss eine Kombination dieser Eigenschaften vorliegen.

PEEK- und Siliziumkarbid (SiC)-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe bieten eine hervorragende chemische Beständigkeit. Siliziumkarbid-CMCs mit Nickel-Bindemittel weisen im Vergleich zu anderen SiC-Keramiken wie Oxid/Oxid-CMCs oder monolithischem SiC eine überlegene Verschleißfestigkeit sowie Kriech- und Strahlungsbeständigkeit auf [129]. Metalle weisen im Vergleich zu CMCs eine höhere Dichte und ein höheres Gewicht auf; sie verfügen über eine außergewöhnliche Zugfestigkeit, Schadetoleranz und Temperaturbeständigkeit und zeigen eine höhere Zähigkeit als jedes andere CMC-Material. Zudem sind CMCs leichter und weisen eine geringere Dichte als Metalle auf; daher bieten sie gegenüber diesen in Bezug auf physikalische Eigenschaften und Anwendungspotenzial mehr Vorteile. SiC/SiC-CMCs mit Nickel-Bindemittel können zudem ohne Rückgriff auf herkömmliche Spritzgussverfahren (MI) infiltriert und verdichtet werden, was die Herstellung vereinfacht [129]. Zudem haben diese Verbundwerkstoffe eine nachweislich bessere Kriech- und Oxidationsbeständigkeit als metallische Superlegierungen für Flugzeugtriebwerke [131,132].

Hohe Abriebfestigkeit

Verbundwerkstoffe mit Keramikmatrix aus Siliziumkarbid zeichnen sich durch eine hervorragende Abriebfestigkeit aus, was bedeutet, dass sie harten Partikeln oder Oberflächen standhalten können, ohne Verschleißschäden zu erleiden. Massive Oberflächen besitzen eine außergewöhnliche Druckfestigkeit und spezifische Steifigkeit – zwei mechanische Eigenschaften, anhand derer die Fähigkeit eines Materials bewertet wird, Belastungen standzuhalten, ohne unter Spannung zu reißen. Diese Materialien sind zudem äußerst widerstandsfähig gegen Thermoschock, was bedeutet, dass sie plötzlichen Temperaturschwankungen standhalten können, ohne zu reißen oder zu brechen. Nitridgebundenes Siliziumkarbid (NB-SiC) kann durch einen als Nitridierung bezeichneten Prozess hergestellt werden, bei dem eine Mischung aus NB-SiC-Körnern zusammen mit einer stickstoffhaltigen Verbindung wie Siliziumnitrid oder Ammoniak erhitzt wird, um eine Umgebung zu schaffen, die die Bindung zwischen den Körnern fördert und so zu dichten und widerstandsfähigen Materialien führt.

Nickel wird häufig nitridgebundenem Siliziumkarbid zugesetzt, um dessen Zähigkeit und Bruchzähigkeit zu erhöhen, was zu einer besseren Zähigkeit und Schadenstoleranz führt als bei CMCs aus Kohlenstofffasern und Oxid/Oxid, monolithischen SiC-Keramiken [129] oder anderen monolithischen Metallen wie WC-Co [131]. Zudem bietet Nickel eine wesentlich höhere Temperaturbeständigkeit als monolithische Metalle wie WC-Co

Niedrige Dichte

Die geringe Dichte von Siliziumkarbid macht es zu einem idealen Werkstoff für Hochleistungsanwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Flugzeuge müssen leicht sein, um den Treibstoffverbrauch zu minimieren, und dennoch den während des Fluges auftretenden Kräften sowie dem Aufprall auf Ziele standhalten. Darüber hinaus eignet sich Siliziumkarbid aufgrund seiner Härte für die Herstellung von Raketenspitzen, die sowohl Reibungswärme als auch dem Aufprall auf Ziele standhalten müssen.

Nitridgebundenes Siliziumkarbid (NB-SiC) weist eine geringere Dichte auf als gesintertes SiC und eignet sich daher besser für Hochleistungsanwendungen. Dieses Material kann mithilfe zahlreicher Herstellungsverfahren hergestellt werden, darunter Reaktionsbinden und Siliziumieren von SiC, Kohlenstoff und metallischem Silizium.

Bei einem Abschuss eines 12-mm-Stahlprojektils wurden hochauflösende CT-Scans eingesetzt, um das ballistische Verhalten einer runden NB-SiC-Keramikplatte zu analysieren, die vorgespannt war und im Rahmen eines Hertzschen Kegel-Loch-Morphologietests unter Anwendung der Vorspannung auf ihr ballistisches Verhalten geprüft wurde. Die CT-Ergebnisse zeigten, wie sich die Vorspannung auf die Bildung des Hertzschen Kegels auswirkte: Während bei der nicht eingespannten Probe C2 nur eine begrenzte Kegelbildung auftrat, wies die vorgespannte Probe C4 eine stärker beschädigte Kegelbildung auf; dies deutet darauf hin, dass eine Einspannung die ballistische Leistung insgesamt verbessern könnte.