Seltene-Erden-Silikat basiertes Material- und Herstellungskonzept für Si3N4 Keramiken

In dieser Arbeit wurde ein neues Materialkonzept zur Herstellung von Si3N4 Keramik untersucht. Der ursprüngliche Ansatz, die Risszähigkeit einer Si3N4 Keramik mit Yb2SiO5 Sinteradditiv durch Zugabe von beschichteten Kohlenstofffasern zu erhöhen, konnte jedoch nicht weiter verfolgt werden, da die Kohlenstofffasern mit Yb2SiO5 zu einer neuen Materialklasse, der so genannten Carbidonitridosilikate mit der allgemeinen Zusammensetzung RE2Si4CN6 (RE= Seltene Erden), reagieren. Eingehende Untersuchungen dieser neuen Materialklasse zeigen, dass Yb2Si4CN6 erst ab einer Temperatur von 900°C unter Bildung von Yb2Si2O7 und SiO2 zu oxidieren beginnt und damit sehr oxidationsresistent ist. Außerdem weist Yb2Si4CN6 im Gegensatz zu den Nitridosilikaten wie z.B. Si3N4 eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit in der Größenordnung der Leitfähigkeit von Carbidosilikaten wie SiC auf. Zusätzlich bildet sich eine offene Kanalstruktur in der Kristallstruktur von RE2Si4CN6, in der die RE-Ionen abwechselnd 5- und 6-fach koordiniert vorliegen. Daher wurde Yb2Si4CN6 als möglicher Elektrodenwerkstoff in Li-Ionen Batterien eingesetzt und untersucht, da ein Austausch der großen RE-Ionen gegen das kleinere Li-Ion denkbar ist. Diese Untersuchungen stellen jedoch nicht den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit dar und sind nur kurz im Ausblick zusammengefasst. Die Kristallstruktur von RE2Si4CN6 lässt darauf schließen, dass Carbidonitridosilikate wegen des hohen Kondensationsgrades der [SiCN3]-Tetraeder neben der guten elektrischen Leitfähigkeit auch gute mechanische und thermische Eigenschaften aufweisen. Daher wurde in dieser Arbeit Yb2Si4CN6 als Sinteradditiv zur Herstellung von Si3N4 Keramik eingesetzt und die mechanischen und thermischen Eigenschaften sowie das Oxidationsverhalten dieser neuen Keramik untersucht. Es zeigt sich, dass eine vollständige Verdichtung der Si3N4-Yb2Si4CN6 Grünkörper nur durch Druckunterstützung beim Spark Plasma Sintering erreicht wird, da die Viskosität der eutektischen Schmelze während der Wärmebehandlung zu hoch ist. Man erreicht eine vollständige α- zu β-Si3N4 Transformation und, wegen der kurzen Sinterzeiten beim SPS, eine Mikrostruktur mit feinen β-Si3N4 Stängelkristallen. Als Korngrenzphase bildet sich Yb-Wöhlerit aus, was auf einen hohen Sauerstoffgehalt der Grünkörper zurückzuführen ist. Das Carbidonitridosilikat Yb2Si4CN6 kann sich als Korngrenzphase ausbilden, wenn zusätzlich 20vol% Kohlenstofffasern im Si3N4-Yb2Si4CN6 Grünkörper eingebracht werden. Die gemessenen mechanischen Eigenschaften der mittels Spark Plasma Sintering hergestellten Si3N4 Keramik mit 5wt%, 10wt% und 15wt% Yb2Si4CN6 Sinteradditivgehalt sind gut und liegen alle im Bereich typischer Si3N4 Keramiken mit seltenerdhaltiger Korngrenzphase. Die Wärmeleitfähigkeit der SPSN-Proben ist mit ca. 65 Wm-1K-1 jedoch höher als von typischen Si3N4 Keramiken, weshalb die SPSN-Proben im Vergleich zu anderen Hochleistungskeramiken wie SiC, Al2O3 und ZrO2 die höchsten Temperaturwechselbeständigkeiten aufweisen. Bis zu Temperaturen von 1000°C zeigen die SPSN Proben ein parabolisches Oxidationsverhalten, das im Vergleich zu Si3N4 Keramiken mit seltenerdhaltiger Korngrenzphase jedoch höhere Oxidationsraten aufweist. Bei Temperaturen von 1200°C oxidieren die SPSN Proben aktiv und zeigen keinen Schutz gegen Oxidation. Bisher werden die Carbidonitridosilikate nahezu ausschließlich für optische Anwendungen verwendet, wie von Zeuner et al beschrieben wird, obwohl die Carbidonitridosilikate auch einen einfachen Zugang zu den stickstoffreichen Phasen im Si3N4-SiO2-RE2O3-REN Phasenraum ermöglichen. Die Kristallstruktur der Carbidonitridosilikate prädestiniert diese Materialklasse jedoch auch für weitere Anwendungen. Diese Arbeit gibt damit einen ersten Hinweis wie neben den optischen Eigenschaften auch die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Yb2Si4CN6 zur Herstellung von Si3N4 Keramik genutzt werden können. Die elektrischen Eigenschaften und die hohe Oxidationsstabilität der Carbidonitridosilikate kann zur Verwendung von Yb2Si4CN6 in Batteriesystemen und Brennstoffzellen dienen. Die neue Materialklasse der Carbidonitridosilikate ist damit sehr interessant für eine Vielzahl zukünftiger Anwendungen und wird daher vom Autor am Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung weiter untersucht.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Bayreuth

Year

2015

Author dc:creator

• Pontiller-Schymura, Peter

Contributors dc:contributor

• Willert-Porada, Monika

Repository record source_url

https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/2480/

OAI identifier oai:identifier

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