SiCN -Keramik

1. SiCN-Keramik AC-Hauptseminar 08.06.2010 Melanie Tekaat

2. Keramiken • Nichtmetallische anorganische Werkstoffe • In der Regel bei Raumtemperatur aus Rohmasse geformt • Werkstoffeigenschaften durch Behandlung bei hohen Temperaturen

3. Gliederung • Synthese - SiCN- Precursoren - Vernetzung - Pyrolyse • Struktur & Eigenschaften • Anwendung - Synthese metallhaltiger SiCN-Keramiken zur Katalyse - Beschichtungsverfahren - SiCN-Fasern - ceramicmatrixcomposites • Zusammenfassung

4. Herstellung der Precursorkeramiken

5. Synthese von SiCN-Precursoren Herstellung der Precursorkeramiken • Anforderung: • hohe keramische Ausbeute • Voraussetzungen: • hohes Molekulargewicht (große Kettenlänge) • funktionelle Gruppen • - weitere Vernetzung durch thermische oder • katalytische Addition • geringe Anzahl abspaltbarer Gruppen • Vermeidung von Umlagerungen • (Isomerisierung, Kondensationsstabilität)

6. Synthese von SiCN-Precursoren Herstellung der Precursorkeramiken Synthese von Polysilazanen ausgehend von Chlorsilan

7. Beispiele für SiCN-Precursoren Herstellung der Precursorkeramiken HVNG HPS

8. Reaktionsmechanismen zur Vernetzung Herstellung der Precursorkeramiken Hydrosilylierung: Dehydrokopplung:

9. Reaktionsmechanismen zur Vernetzung Herstellung der Precursorkeramiken Polymerisation: Transaminierung: 3

10. Formkörper Herstellung der Precursorkeramiken

11. Formkörper Herstellung der Precursorkeramiken • Pressen (0 – 15 % Feuchte) • Plastische Formgebung (15 – 25 % Feuchte) • Gießen (> 25 % Feuchte) Uniaxiales Trockenpressen, ein- und zweiseitig, mit Bereichen unterschiedlicher Verdichtung (Graustufen)

12. Pyrolyse Herstellung der Precursorkeramiken

13. Pyrolyse Herstellung der Precursorkeramiken Massenänderung bei der Pyrolyse Keramische Ausbeute 73 zu 82 wt%

14. Pyrolyse Herstellung der Precursorkeramiken

15. Pyrolyse Herstellung der Precursorkeramiken

16. Pyrolyse Herstellung der Precursorkeramiken

17. Massenänderung und Reindichte bei steigender Temperatur Herstellung der Precursorkeramiken

18. Struktur • poröse Bereiche sorgen für die hohe Temperaturstabilität • homogene glasähnliche Struktur • Unterschiede: • Porengröße • kugelförmige Einlagerungen • in HVNG • -> Si3N4, SiC und Graphit • HPS: α- Si3N4 und Bereiche • mit SiC HVNG HPS

19. Eigenschaften • Vickers Härte ist stark abhängig von der • Temperatur. • Verschiedene Precursoren allerdings • machen einen kaum merklichen Unterschied • in der Härte aus. • Die Rissfestigkeit ändert sich mit der • Herstellungstemperatur der Precursoren. • Verschiedene Precursoren zeigen einen • deutlichen Unterschied in der Härte.

20. Synthese metallhaltiger SiCN-Keramiken

21. Synthese metallhaltiger SiCN-Keramiken SEM

22. Beschichtungsverfahren • Dipcoating • (max. Schichtdicke pro • Beschichtungsschritt • auf ca. 1µm begrenzt • Spincoating

23. Beschichtungsverfahren Vorteile: • Einfacher technischer Aufbau • Formteile fast beliebiger Größe und Form • In Luftatmosphäre; • bei Raumtemperatur Nachteile: • Nicht allzu dicke Schichten möglich, da es leicht zur Rissbildung kommt

24. Keramische SiCN-Fasern hohe Festigkeit hohe Bruchdehnung Problem: entweder sehr hoher Preis für gute Hochtemperatureigenschaften oder akzeptabler Preis für weniger anspruchsvolle Fasern

25. Faserverstärkte SiCN-Keramiken Rissüberbrückungsmechanismus

26. Ceramic Matrix Composites Herstellungsverfahren: LPI Liquid Polymer Infiltration CVI Chemical Vapor Infiltration LSI Liquid Silicon Infiltration CSI CeramicSlurry Infiltration • Matrix: • Dünnflüssige, bei niedrigen Temperaturen vernetzbare • Precursoren • schrumpft um bis zu 50% während der Pyrolyse • weitere Infiltrationszyklen

27. Zusammenfassung • SiCN-Precursoren und die Temperatur bei der Pyrolyse bestimmen die späteren Eigenschaften der Keramiken • Unterschiedliche Herstellungsverfahren: Dip-Coating, Spin-Coating, LPI • Sehr aktuelles Forschungsgebiet hoher Preis für leistungsstarke Keramiken

28. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

29. Literaturquellen • Houbu Li et al., Journal of the European Ceramic Society 28, 2008, 887–891. • S. Traßl, Spektroskopische Charakterisierung des Einflusses der Precursorstruktur auf das Pyrolyseverhalten von Si-C-N-Precursorkeramiken, Herbert Utz Verlag GmbH, München, 2002. • E. Kroke et al., Materials Science and Engineering 26 (2000) 97-199. • G. Glatz, Th. Schmalz, T. Kraus, F. Haarmann, G. Motz, R. Kempe, Chem. Eur. J. 16,2010, 4231 – 4238. • G. Glatz, S. Demeshko, G. Motz, R. Kempe, Eur. J. Inorg. Chem., 2009, 1385–1392. • N. S. Jacobsona , E. J. Opilab, K. N. Leeb, Current Opinion in Solid State and Materials Science 5, 2001, 301–309. • R. Gadow, A. Kienzle, Mat.-wiss. u. Werkstofftech., 29, 1998, 371-384. • W.Weibelzahl, Herstellung und Eigenschaften von polymerabgeleitetenSiCN- Precursorkeramiken, Dissertation Universität Bayreuth Herbert Utz Verlag- Wissenschaft, München, 2003. • E. Kroke, Ya-Li Li, C. Konetschny, E. Lecomte, C. Fasel,R.f Riedel, Materials Science and Engineering 26, 2000, 97-199 • http://www.keramverband.de , aufgerufen am 23.5.2010 • Http://www.zmm-bayreuth.de/ima/weblication/deutsch/mains/2_precursor.htm, aufgerufen am23.5.2010 • http://de.academic.ru/pictures/dewiki/115/solgel_dipcoating1.jpg, aufgerufen am 25.5.2010 • http://de.academic.ru/pictures/dewiki/115/solgel_spincoating.jpg, aufgerufen am 25.5.2010