Nitrid- und elektrisch funktionelle Strukturkeramik

Gruppe

Siliciumnitrid (Si3N4) und Sialone

Thema

Kugellager aus Siliciumnitrid (Si3N4), Fraunhofer IKTS.

Siliciumnitrid Si3N4 ist eine Nichtoxidkeramik mit einer einzigartigen Kombination von herausragenden Werkstoffeigenschaften. Dazu gehören eine für Keramikwerkstoffe hohe Bruchzähigkeit (5-8 MPa·m½) in Verbindung mit einer sehr hohen Biegefestigkeit (800-1000 MPa) und einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (3,5·10-6 K-1). Dies führt beispielsweise zu einer hervorragenden Temperaturwechselbeständigkeit. Weiterhin zeichnet sich Siliciumnitrid durch eine geringe Dichte (3,2 g·cm-3), eine hohe Härte (12-17 GPa) und eine hohe Verschleißbeständigkeit aus. Ein besonderes Merkmal des Siliciumnitrids ist seine exzellente Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit im Hochtemperaturbereich.

Siliciumnitridkeramik enthält in der Regel Sinteradditive. Durch den Einsatz von Additiven können viele Werkstoffeigenschaften in weiten Bereichen gezielt verändert werden. Sialone entstehen durch den Einbau von Aluminium und Sauerstoff in das Siliciumnitridgitter. Dadurch können sowohl die mechanischen, thermischen und tribologischen Eigenschaften zusätzlich modifiziert werden.

Die Einsatzfelder von Siliciumnitrid und Sialonen sind vielfältig, zum Beispiel als Schneidstoff für die Zerspanungstechnik, als Hochleistungskeramik in der Umformtechnik, als mechanisches Verschleißteil (Wälzlager), als Thermoelementschutzrohr oder als Konstruktionswerkstoff im Maschinen- und Anlagenbau für extreme mechanische, chemische und thermische Belastungen. Seine exzellenten mechanischen Eigenschaften und Biokompatibilität machen Siliciumnitrid auch für die Medizintechnik interessant.

 

Leistungsangebot

 

  • Forschung und Entwicklungstätigkeiten im Bereich von Siliciumnitrid (Si3N4), Sialonen, Aluminiumnitrid (AlN), Titannitrid (TiN), Bornitrid (BN)  und darauf basierender Komposite
  • Das Anpassen und Optimieren der mechanischen und tribologischen Eigenschaften, der chemische Beständigkeit, der Hochtemperaturbeständigkeit sowie der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von Si3N4, Sialonen, AlN, TiN, BN und Kompositen
  • Die Entwicklung und Testung von Prototypen für Anwendungen unter mechanischer, chemischer, thermischer und elektrischer Beanspruchung
  • Konzepte zur Kostenoptimierung von keramischen Rohstoffen, Werkstoffen und Bauteilen

 

Technische Ausstattung

 

  • Durchgehende Fertigungslinie von der Pulvercharakterisierung/Masseaufbereitung bis hin zur Finishbearbeitung und Charakterisierung im IKTS
  • Applikationsorientierte Charakterisierung wie Korrosion in Flüssigkeiten und heißen Gasen, Reibung und Verschleiß, mechanische Werkstoffprüfung
  • Geschlossene keramtechnologische Prozesskette im Inertgas-Glovebox-System (N2, ≤ 1 ppm O2, ≤ 1 ppm H2O)

 

Anwendungsbereiche / Referenzen

 

  • Verschleiß- und Schneidwerkstoffe z. B. hochbelastbare Wälzlager, Wendeschneidplatten und Fräser für die Metallbearbeitung
  • Komponenten für den Chemieanlagenbau, die Metallurgie und Umformtechnik
  • Hochtemperaturwerkstoffe mit speziellem Oxidations- und Korrosionsschutz für Anwendungen in der Energietechnik (Heißgasturbine) und im Motorenbau (keramische Glühkerze, Turbolader)
  • Keramische Kochplatte und andere Heizsysteme