Als einer der am weitesten verbreiteten Hochleistungskeramikwerkstoffe in der Industrie ist die Leistungsoptimierung von Aluminiumoxidkeramik seit jeher ein zentrales Thema in Forschung und Industrie. Jüngste Studien haben sich mit dem Einfluss der Sintertemperatur auf die Eigenschaften von Aluminiumoxidkeramik befasst. Dabei hat sich das Sintern bei 1800 °C als zweischneidig erwiesen: Es kann zwar die Verdichtung und die thermischen Eigenschaften des Materials deutlich verbessern, aber aufgrund übermäßigen Kornwachstums auch zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen. Diese Arbeit analysiert die Vor- und Nachteile dieses Hochtemperatur-Sinterprozesses unter Einbeziehung neuester Forschungsergebnisse.
I. Positive Effekte des Sinterns bei 1800 °C: Verdichtung und Verbesserung der funktionellen Eigenschaften
1. Der Sprung in der Verdichtung und Wärmeleitfähigkeit
Experimentelle Daten zeigen, dass die Dichte hochreiner Aluminiumoxidkeramik mit steigender Sintertemperatur von 1600 °C auf 1800 °C von 99,3 % auf 99,7 % zunimmt und sich damit der theoretischen Dichte annähert. Gleichzeitig verbessert sich die Wärmeleitfähigkeit durch die Reduzierung der Porosität und die Optimierung der Korngrenzenstruktur. Diese Eigenschaften machen das Material ideal für Wärmeableitungsmodule in Halbleitern und Hochleistungselektronikbauteile und ermöglichen eine effektive Bewältigung der Herausforderungen des Wärmemanagements in Hochtemperaturumgebungen.
2. Verbesserung der elektrischen Eigenschaften
Die bei 1800 °C gesinterten Aluminiumoxidkeramiken erreichen Spitzenwerte in der Dielektrizitätskonstante (10,7 bei 1 MHz) und der Durchschlagsfestigkeit (60,3 kV/mm) bei einem spezifischen Volumenwiderstand von bis zu 2,90 × 10¹⁷ Ω·cm und erfüllen damit die Anforderungen an Hochfrequenz-Isolatoren. Untersuchungen haben gezeigt, dass die verbesserte Verdichtung das Risiko von Porenentladungen verringert und somit die Durchschlagsfestigkeit erhöht.
3. Hochtemperaturstabilität und Korrosionsbeständigkeit
Die bei dieser Temperatur gesinterten Keramiken weisen eine vollständige Kornentwicklung und eine stabile hexagonale Gitterstruktur auf, wodurch das Material eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit sowie Säure-Laugen-Beständigkeit besitzt. Sie eignen sich für Anwendungen in strahlungsreichen Umgebungen von Kernkraftwerken und als Auskleidungen von chemischen Reaktoren.
II. Herausforderungen beim Sintern bei 1800 °C: Der kritische Punkt der mechanischen Eigenschaften
Trotz der zahlreichen Vorteile des Hochtemperatursinterns dürfen dessen Nebenwirkungen nicht außer Acht gelassen werden:
Vergröberung des Korns und Festigkeitsverlust: Bei Temperaturen über 1650 °C nimmt die Korngröße rapide von 4,5 μm (1650 °C) auf 12,5 μm (1800 °C) zu, wodurch die Biegefestigkeit stark von 488,9 MPa auf 420 MPa abfällt. Hauptursache hierfür ist die beschleunigte Korngrenzenwanderung, bei der Poren in den Körnern eingeschlossen werden und Mikrodefekte entstehen.
Erhöhte dielektrische Verluste: Der Verlustfaktor (5,4×10⁻⁴) der bei 1800°C gesinterten Probe ist viel höher als der der bei niedrigeren Temperaturen gesinterten Proben, was möglicherweise mit der Entstehung von Sauerstoffleerstellen unter reduzierender Atmosphäre zusammenhängt.
III. Technische Durchbrüche: Wie lassen sich die Vor- und Nachteile des Sinterns bei 1800°C ausbalancieren?
Um die Einschränkungen des Hochtemperatursinterns zu überwinden, haben Forscher folgende Lösungen vorgeschlagen:
1. Optimierung der Sinterhilfsmittel:Die Zugabe von Hilfsstoffen wie MgO und TiO₂ kann die Aktivierungsenergie des Sinterprozesses reduzieren und ein anomales Kornwachstum bei 1800 °C hemmen. Beispielsweise lässt sich die Korngröße von hochreiner, mit MgO dotierter Aluminiumoxidkeramik auf unter 10 μm einstellen.
2. Zweistufiges Sinterverfahren:Zunächst wird eine schnelle Verdichtung bei hoher Temperatur (z. B. 1750 °C) durchgeführt, gefolgt von einer längeren Haltezeit bei niedriger Temperatur (z. B. 1500 °C), wodurch ein Gleichgewicht zwischen Verdichtung und feinkörniger Struktur erreicht wird.
3. Fortschrittliche Sinterverfahren:Durch die Anwendung von Funkenplasmasintern (SPS) oder Mikrowellensintern kann der Temperaturbedarf um 200–300°C gesenkt werden, wodurch die Nachteile des herkömmlichen Hochtemperatursinterns vermieden werden.
IV. Anwendungsperspektiven: Der Sprung vom Labor zur Industrialisierung
Derzeit werden hochreine, bei 1800°C gesinterte Aluminiumoxidkeramiken in folgenden Bereichen eingesetzt:
Energieübertragungsfenster für Elektrovakuumgeräte:Ersatz herkömmlicher 95%iger Aluminiumoxidkeramik zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Hochfrequenz- und Hochleistungsgeräten.
Halbleiterfertigung:Als Substrate für integrierte Schaltkreise gewährleisten ihre hohe Wärmeleitfähigkeit und Isolationseigenschaften die Stabilität des Chips.
Neues Energiefeld:Wird in Festkörperbatterieseparatoren und Photovoltaik-Wechselrichterkomponenten verwendet, um die Lebensdauer der Geräte zu verlängern.
Abschluss
Der Sinterprozess bei 1800 °C ist ein entscheidender Schritt zur Verbesserung der Eigenschaften von Aluminiumoxidkeramiken. Seine Optimierung erfordert jedoch eine umfassende Berücksichtigung der Materialreinheit, der Additivformulierungen und der Sintertechnologien. Zukünftig werden Aluminiumoxidkeramiken dank Fortschritten bei Niedertemperatur-Sinterverfahren und Nanopulver-Herstellungsverfahren voraussichtlich metallische und polymere Werkstoffe in einem breiteren Anwendungsbereich ersetzen und so die Modernisierung der High-End-Fertigungsindustrie vorantreiben.
