In-situ Herstellung von Al2O3/SiC-Nanokompositen

Abstract

Mittels kolloidaler Techniken wurden Pulvermischungen aus Ruß, Al2O3 und SiO2 erzeugt, wobei das SiO2 sowohl partikulär als auch als Schicht vorlag, und gefriergetrocknet. Aus diesen Pulvern wurden durch carbothermische Reduktion des SiO2 und einer nachfolgenden Mahlung homogene Al2O3/SiC Kompositpulver erhalten. Diese Pulver enthielten 5 und 10 Vol.-% SiC und wurden durch uniaxiales Heißpressen nahezu vollständig verdichtet. Die Al2O3/SiC Komposite wiesen eine homogene Verteilung der Siliziumkarbidpartikel auf, wobei eine Abhängigkeit der SiC- Verteilung von den Ausgangsstoffen gefunden werden konnte, denn nur bei der Verwendung eines hydrophilen SiO2-Pulvers konnte eine überwiegend intragranulare Position der SiC- Partikel festgestellt werden. Die Bruchzähigkeit der Komposite, die mit der ICL-Methode bestimmt wurde, lag im Bereich von 5 MPa•m0,5, wobei in den Kompositen eine Rissausbreitung nach Palmqvist nachgewiesen werden konnte. Die Bruchfestigkeit wurde im 4-Punkt-Biegeversuch ermittelt und zeigte eine starke Anhängigkeit von der Probenvorbereitung. Die maximal erreichte Festigkeit betrug 700 MPa für Komposite mit 5 Vol.-% SiC und 850 MPa für ein Komposit mit 10 Vol.-% SIC. Somit zeigten die Komposite eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum Matrixwerkstoff und reichen zum Teil über den Stand der Technik hinaus. Eine Aussage zum qualitativen Verlauf der Festigkeit in Abhängigkeit vom SiC -Gehalt konnte nicht getroffen werden, da andere Faktoren wie die Matrixkorngröße und die Probenvorbereitung einen größeren und weniger mittelbaren Einfluss ausüben und daher kein klares Resultat diesbezüglich erkennen lassen.

By colloidal methods powder mixtures from carbon black, alumina and silicon dioxide were prepared, where SiO2 was used in two forms (layer and powder). The freeze dried powder mixtures were transformed to alumina/silicon carbide composite powders by carbothermal reduction of silicon dioxide by carbon black and a subsequent milling process. Densification of the powders containing 5 and 10 vol.-% SiC was carried out by hot pressing and almost dense composites were obtained. These composites showed a homogenous distribution of SiC whereas a dependence of the original silicon dioxide source could be found, for only a hydrophilic silicon dioxide powder leads to predominantly intragranular silicon carbide particles. Fracture toughness that was determined using the ICL method was around 5 MPa•m0.5 and the composite showed a change in crack propagation from radial for the pure alumina to palmqvist cracks for the composites. Fracture strength was measured in 4-point bending tests and showed a clear dependence from sample preparation. Maximum values up to 700 MPa for composites with 5 vol.-% SiC and 850 MPa for a composite with 10 vol.-% SiC could be measured. All composites show a clear improvement of the mechanical properties over pure alumina and partially exceed the state of the art. A conclusion concerning the behaviour of strength vs. SiC content cannot be made because other parameters like matrix grain size and sample preparation have an immediate influence on strength and obliterate a potential impact of silicon carbide content.