Siliziumnitrid (Si₃N₄)

Siliziumnitrid ist eine hellgraue bis schwarze Keramik, die insbesondere aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften bis 1800°C, in der Hochtemperaturtechnik eingesetzt wird. Siliziumnitridkeramiken zeichnen sich durch eine niedrige Dichte, hohe Bruchzähigkeit, niedrigen Reibungskoeffizienten und sehr gute Thermoschockbeständigkeit aus. Ihre Eigenschaften sind jedoch stark abhängig von dem verwendeten Herstellungsverfahren und den zugesetzten Additiven.

Voraussetzung für die Produktion von dichten Siliziumnitridkeramiken ist das Vorhandensein einer flüssigen Phase unter Sinterbedingungen, da die stark kovalenten Si-N-Bindungen den Stofftransport durch Festkörperdiffusion auch bei hohen Temperaturen einschränken [LAN91]. Daher ist die Zugabe von Additiven unumgänglich. Zudem zersetzt sich Si₃N₄bei Temperaturen oberhalb von 1900°C.

Das gängigste Verfahren zu Herstellung von dichten Werkstücken aus Si₃N₄ist das Sintern von geformten Siliziumnitridpulvern in Stickstoffatmosphäre unter Zugabe von Additiven wie Aluminium- oder Yttriumoxid bzw. einer Mischung davon. Diese Additive bilden eine die Si₃N₄-Körner umhüllende Glas- (Y-Si-Al-O-N) oder kristalline Phase (Yttrium-Aluminium-Granat (YAG)). Um den notwendigen Additivgehalt zu senken und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern kann unter erhöhtem Druck gesintert werden [HEI10].

Bei reaktionsgebundenem Si₃N₄(RBSN) wird das entsprechend geformte Siliziumpulver in Stickstoffatmosphäre unterhalb dessen Schmelztemperatur nitridiert. Dabei tritt nahezu keine Schwindung auf, wodurch eine aufwendige Nachbearbeitung meist entfällt. Zudem sind die verwendeten Rohstoffe verhältnismäßig preiswert. Aufgrund der schlechten Diffusion von Stickstoff in dem gebildeten Si₃N₄können so nur Werkstücke geringer Größe hergestellt werden. Außerdem weisen RBSN-Werkstoffe eine hohe Porosität auf, die, verglichen mit dichten Si₃N₄-Keramiken, zu schlechteren mechanischen Eigenschaften führt. Ein nachträglicher Sintervorgang ermöglicht höhere Dichten, führt jedoch auch zur Schwindung des Bauteils [KOL18].