Weitere Informationen zu Siliziumnitrid und seinen Einsatzmöglichkeiten

Siliziumnitridkeramiken zeichnen sich durch die Kombination einer Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften aus. Neben Zirkondioxid besitzt Siliziumnitrid die höchsten Raumtemperatur-Festigkeits- und -Risszähigkeitswerte aller technischen keramischen Werkstoffe, zudem bieten sie vorteilhafte Eigenschaften auch im Hochtemperaturbereich. Neben einer Festigkeit von bis zu 800 MPa bei 1250 °C ist vor allem die hohe Kriechbeständigkeit hervorzuheben. Des Weiteren erweist sich die geringe thermische Ausdehnung und die gute Beständigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion beim Einsatz bei hohen Temperaturen als vorteilhaft. Besonders erwähnenswert ist hierbei die hohe Beständigkeit des Siliziumnitrid gegenüber starken Säuren (z.B. Schwefelsäure, Salzsäure, Fluorwasserstoff), Laugen oder flüssigen Metallschmelzen (z.B. Aluminium). So nutzt man in der Kraftwerks-, Energie- und der chemischen Verfahrenstechnik die guten Hochtemperatureigenschaften und die hohe Korrosionsbeständigkeit der Keramik und setzt aus Siliziumnitrid gefertigte Dichtringe, Kolbenringe und Wärmetauscher ein.

Zudem prädestinieren die Festigkeit und Steifigkeit, die Abriebbeständigkeit und die guten Reibkennwerte das Siliziumnitrid für den Einsatz in Gleit- und Kugellagern oder als Rotoren in Turboladern. Diese Komponenten ermöglichen dank ihrer niedrigen Dichte höchste Umdrehungszahlen und den Einsatz in korrosiven Medien.
Für die Luft- und Raumfahrt sind vor allem die gute Hochtemperaturbeständigkeit und -festigkeit, die Steifigkeit, die geringe Dichte sowie die niedrige thermische Ausdehnung von Strukturbauteilen aus Siliziumnitrid vorteilhaft.
Aktuell werden beispielsweise Gehäuse für Aufklärungskameras und Trägerstrukturen für Satelliten aus Siliziumnitrid gefertigt. Der niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient minimiert Verschiebungen im hochpräzisen, optischen Linsensystem trotz häufig auftretender Temperaturschwankungen. Somit können die Auflösung und die Abbildungs-genauigkeit der Kamera deutlich erhöht werden.

Siliziumnitrid wird auch immer häufiger in der Metallindustrie genutzt. So werden seit einiger Zeit für die Metall- umformung Walzwerkzeuge und Ziehringe aus Siliziumnitrid verwendet, da diese gegenüber den bisher eingesetzten Stahl- oder Hartmetallwalzen eine deutlich höhere Standzeit besitzen, die Walzzykluszeit verkürzen und am gewalzten Metall zudem die Kaltverfestigung begünstigen.
In der Aluminiumgießereitechnik spricht eine Erhöhung der Standzeit um den Faktor 20 gegenüber Stahlbauteilen eindeutig für den Einsatz von Siliziumnitrid als Werkstoff für Steigrohre, Schmelzrinnen und Schutzrohre (für Pyrometer oder Tauchheizelemente).
Die gute Abriebbeständigkeit ermöglicht zudem den Einsatz von Siliziumnitrid für Schneidwerkstoffe zur Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien wie Grauguss, Nickel-Basis-Super-legierungen und rostfreier, austenitischer Stähle.
Sputtertargets aus Siliziumnitrid werden dazu genutzt, harte und abriebbeständige Schichten auf andere Werkstoffe aufzubringen.

Aber auch in der Elektronik wird Siliziumnitrid eingesetzt: Zum einen als elektrisch isolierende und gleichzeitig thermisch gut leitende Schichten, zum anderen als Trägerplatten für die mechanische Bearbeitung und das Ätzen von Silizium-Wafern, welche selbst die höchsten Anforderungen hinsichtlich chemischer Reinheit, Korrosionsbeständigkeit, Oberflächengüte und Ebenheit erfüllen.

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(nacheditierter Auszug aus der Dissertation von U. Degenhardt „Si3N4/SiC(N)-Werkstoffe auf Basis präkeramischer Polymere und keramischer Pulver“, Universität Bayreuth, 2011)