Der Kohlenstoffgehalt der einzelnen Sinterproben variiert. Bei einem Kohlenstoffgehalt von A-2,5 Gew.-% bildet sich in diesem Bereich ein dichtes, nahezu porenfreies Material, bestehend aus gleichmäßig verteilten Siliciumcarbidpartikeln und freiem Silicium. Mit zunehmender Kohlenstoffzugabe steigt der Anteil an reaktionsgesintertem Siliciumcarbid, die Partikelgröße nimmt zu, und die Siliciumcarbidpartikel verbinden sich zu einem skelettartigen Gebilde. Ein zu hoher Kohlenstoffgehalt kann jedoch leicht zu Restkohlenstoff im Sinterkörper führen. Bei einer weiteren Erhöhung des Rußgehalts auf 3a ist die Sinterung der Probe unvollständig, und es bilden sich schwarze Zwischenschichten.
Bei der Reaktion von Kohlenstoff mit geschmolzenem Silizium beträgt die Volumenausdehnung 234 %. Dadurch ist die Mikrostruktur des reaktionsgesinterten Siliziumkarbids eng mit dem Kohlenstoffgehalt im Rohling verknüpft. Bei geringem Kohlenstoffgehalt reicht das durch die Silizium-Kohlenstoff-Reaktion entstehende Siliziumkarbid nicht aus, um die Poren um das Kohlenstoffpulver zu füllen. Dies führt zu einem hohen Anteil an freiem Silizium in der Probe. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt im Rohling kann das reaktionsgesinterte Siliziumkarbid die Poren um das Kohlenstoffpulver vollständig ausfüllen und das ursprüngliche Siliziumkarbid miteinander verbinden. In diesem Fall sinkt der Anteil an freiem Silizium in der Probe und die Dichte des Sinterkörpers steigt. Bei einem höheren Kohlenstoffgehalt im Rohling hingegen umgibt das durch die Reaktion zwischen Kohlenstoff und Silizium entstehende sekundäre Siliziumkarbid den Toner schnell. Dadurch wird der Kontakt des geschmolzenen Siliziums mit dem Toner erschwert, was zu Restkohlenstoff im Sinterkörper führt.
Den XRD-Ergebnissen zufolge besteht die Phasenzusammensetzung des reaktionsgesinterten SiC aus α-SiC, β-SiC und freiem Silizium.
Beim Hochtemperatur-Reaktionssintern wandern Kohlenstoffatome durch die Bildung von sekundärem α-SiC aus geschmolzenem Silizium in den Ausgangszustand an der SiC-Oberfläche (β-SiC). Da die Silizium-Kohlenstoff-Reaktion eine typische exotherme Reaktion mit hoher Reaktionswärme ist, führt die schnelle Abkühlung nach kurzer Zeit spontaner Hochtemperaturreaktion zu einer erhöhten Übersättigung des in flüssigem Silizium gelösten Kohlenstoffs. Dadurch scheiden sich β-SiC-Partikel in Form von Kohlenstoff ab, was die mechanischen Eigenschaften des Materials verbessert. Die sekundäre β-SiC-Kornverfeinerung trägt somit zur Verbesserung der Biegefestigkeit bei. Im Si-SiC-Verbundwerkstoffsystem sinkt der Gehalt an freiem Silizium mit steigendem Kohlenstoffgehalt im Rohmaterial.
Abschluss:
(1) Die Viskosität der hergestellten reaktiven Sintersuspension steigt mit zunehmender Menge an Ruß; der pH-Wert ist alkalisch und steigt allmählich an.
(2) Mit steigendem Kohlenstoffgehalt im Material nahmen Dichte und Biegefestigkeit der reaktionsgesinterten Keramik, die durch Pressen hergestellt wurde, zunächst zu und dann wieder ab. Bei einer 2,5-fachen Menge Ruß im Vergleich zur Ausgangsmenge erreichten die Dreipunktbiegefestigkeit und die Rohdichte des Grünlings nach dem Reaktionssintern sehr hohe Werte von 227,5 MPa bzw. 3,093 g/cm³.
(3) Beim Sintern von Werkstücken mit zu hohem Kohlenstoffgehalt entstehen Risse und schwarze, „sandwichartige“ Bereiche. Ursache für die Rissbildung ist, dass das beim Reaktionssintern entstehende Siliziumdioxidgas nicht leicht entweichen kann, sich allmählich ansammelt, den Druck erhöht und durch seine Presswirkung zum Aufreißen des Rohlings führt. In den schwarzen, „sandwichartigen“ Bereichen im Inneren des Sinterkörpers befindet sich eine große Menge Kohlenstoff, der nicht an der Reaktion teilgenommen hat.
Veröffentlichungsdatum: 10. Juli 2023