Verbundplatten für Panzer und gepanzerte Fahrzeuge werden aus Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffen hergestellt. Diese Verbundplatte ist 30%-50% leichter als herkömmliche Panzerstahlplatten, während die Schlagfestigkeit um das 1- bis 3-Fache erhöht werden kann. Sie ist ein hervorragender Verbundwerkstoff. Hochleistungskeramiken mit speziellen Funktionen (Elektrizität, Magnetismus, Schall, Licht, Wärme, Chemie, Mechanik, Biologie usw.) sind neue Werkstoffe, die sich in den vergangenen 20 Jahren schnell entwickelt haben und als drittwichtigste Werkstoffklasse nach Metallwerkstoffen und Polymerwerkstoffen bezeichnet werden.
SiC ist eine Verbindung mit starken kovalenten Bindungen, und seine Diffusionsgeschwindigkeit während des Sinterns ist sehr gering. Nach den Forschungsergebnissen von J. D. Hon et al. sind die Selbstdiffusionskoeffizienten von C und Si selbst bei einer hohen Temperatur von 2100℃ sehr klein. Daher ist SiC nur schwer zu sintern und muss mithilfe von Additiven, äußerem Druck oder einer Silizierungsreaktion verdichtet werden.
Zu den wichtigsten Verfahren zur Herstellung hochdichter SiC-Keramiken gehören das Heißpresssintern, das drucklose Sintern und das Reaktionssintern.
(1) Beim Heißpresssintern von reinem Siliziumkarbidpulver kann die theoretische Dichte nahezu erreicht werden, allerdings sind eine hohe Temperatur (über 2000℃) und ein hoher Druck (350MPa) erforderlich. Der Einsatz von Additiven kann die Verdichtung stark fördern und Siliziumkarbidwerkstoffe mit einer Dichte nahe der theoretischen Dichte erzeugen. Häufig verwendete Additive sind: Al2O3, AIN, BN, B usw.; die maximal zugesetzte Menge an B beträgt 0.36%. Mechanismus: Vorhandener freier Kohlenstoff reagiert mit B zu B4C, das anschließend mit SiC eine feste Lösung bildet. Der Flüssigphasensinterprozess spielt eine wichtige Rolle bei der Stoffwanderung.
(2) Druckloses Sintern (Sintern bei Normaldruck) Sintermechanismus: Diffusionssintern; die Schwierigkeit des Diffusionssinterns hängt vom Verhältnis zwischen Korngrenzenergie und Oberflächenenergie ab. Bei der Förderung des Sinterns gilt: Reines SiC kann nicht gesintert werden. Bei Zugabe von Bor befindet sich Bor an den Korngrenzen des SiC und bildet teilweise eine feste Lösung mit SiC, wodurch die Korngrenzenergie von SiC verringert wird; außerdem trägt die Zugabe von C dazu bei, den SiO2-Film auf der SiC-Oberfläche zu reduzieren und zu entfernen, wodurch die Oberflächenenergie erhöht wird. Dadurch kann das ultrafeine Pulver mit dem Verhältnis rg/rs die für die Verdichtung erforderliche mechanische Triebkraft bereitstellen, die Diffusionsstrecke verkürzen und in die Anfangsphase des Sinterns eintreten.
(3) Reaktionssintern Reaktionsgesintertes SiC, auch selbstgebundenes SiC genannt, wird hergestellt, indem a-SiC-Pulver und Graphitpulver in einem bestimmten Verhältnis gemischt und zu einem Grünling gepresst werden. Anschließend werden sie auf etwa 1650℃ erhitzt, während gleichzeitig Si infiltriert wird oder Si über die Gasphase in den Grünling eindringt, sodass es mit Graphit zu β-SiC reagiert und die vorhandenen a-SiC-Partikel verbindet. Eigenschaften: Wenn eine vollständige Si-Infiltration möglich ist, kann während des gesamten Prozesses ein Werkstoff mit null Porosität und ohne Änderung der geometrischen Abmessungen hergestellt werden. In der tatsächlichen Produktion muss der Grünling jedoch überschüssige Poren aufweisen, um zu verhindern, dass sich aufgrund des zunächst an der Oberfläche ablaufenden Si-Infiltrationsprozesses eine gasdichte SiC-Schicht bildet, die das weitere Reaktionssintern verhindert. Während des Reaktionssinterprozesses werden die überschüssigen Poren mit überschüssigem Si gefüllt, wodurch ein porenfreies, dichtes Produkt entsteht.
Vergleich von drei gängigen Sinterverfahren:
1. Heißpresssintern: Es können nur Siliziumkarbidteile mit einfachen Formen hergestellt werden, die Produktionseffizienz ist gering, und das Verfahren eignet sich nicht für die großmaßstäbliche kommerzielle Produktion.
2. Druckloses Sintern (Sintern bei Normaldruck): Es können Siliziumkarbidteile mit komplexen Formen und großen Abmessungen hergestellt werden. Derzeit ist dies das am weitesten anerkannte Sinterverfahren.
3. Reaktionssintern: Es können Siliziumkarbidteile mit komplexen Formen hergestellt werden, bei niedriger Sintertemperatur; die Hochtemperatureigenschaften des Produkts sind jedoch schlecht.
SiC-Keramiken, die durch druckloses Sintern, Heißpresssintern, heißisostatisches Presssintern und Reaktionssintern hergestellt werden, weisen unterschiedliche Leistungseigenschaften auf. Beispielsweise sind hinsichtlich Sinterdichte und Biegefestigkeit SiC-Keramiken aus Heißpresssintern und heißisostatischem Presssintern vergleichsweise leistungsfähiger, während reaktionsgesintertes SiC vergleichsweise schlechter abschneidet. Andererseits unterscheiden sich die mechanischen Eigenschaften von SiC-Keramiken auch je nach verwendetem Sinteradditiv.
SiC-Keramiken aus drucklosem Sintern, Heißpresssintern und Reaktionssintern weisen eine gute Beständigkeit gegenüber starken Säuren und starken Laugen auf, während reaktionsgesinterte SiC-Keramiken eine schlechte Korrosionsbeständigkeit gegenüber Supersäuren wie HF besitzen. Hinsichtlich der Hochtemperaturbeständigkeit steigt die Festigkeit nahezu aller SiC-Keramiken, wenn die Temperatur unter 900℃ liegt; überschreitet die Temperatur 1400℃, fällt die Biegefestigkeit reaktionsgesinterter SiC-Keramiken stark ab. (Dies liegt daran, dass der Sinterkörper eine bestimmte Menge an freiem Si enthält und die Biegefestigkeit ab einer bestimmten Temperatur stark abnimmt.) Bei SiC-Keramiken aus drucklosem Sintern und heißisostatischem Presssintern wird ihre Hochtemperaturbeständigkeit hauptsächlich durch die Art der Additive beeinflusst.
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