Gießverfahren zur Herstellung offenporöser, auf Siliziumnitrid basierender Strukturen mit tubulärer Geometrie

Abstract

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften hat Siliziumnitrid für Anwendungen, bei denen hohe thermische und mechanische Belastungen auftreten, einen großen Stellenwert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Herstellung von gut definierten, offenporösen, Si3N4-basierten Trägerstrukturen, wobei als Geometrie die Hohlrohr-Konfiguration gewählt wurde, da diese sich besonders gut für mögliche Anwendungen auf dem Gebiet der membranbasierten Trennung oder Katalyse eignet. Die allgemeine Schwierigkeit besteht darin, geeignete Herstellungsverfahren zu finden, um keramische Komponenten mit komplexen Formen herzustellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei unterschiedliche Gießverfahren zur Herstellung von tubulären Keramiken verwendet und die Ergebnisse miteinander verglichen. Einerseits wurde die gewünschte Formgebung durch Schlickerguss (Slipcasting) erreicht. Dabei wurde eine angefertigte Gipsform sowie ein wässriger, gießfähiger Si3N4-Schlicker mit einer Feststoffbeladung von 36 Vol% verwendet. Andererseits wurde das Gelcasting-Verfahren angewandt, wobei die Feststoffbeladung der keramischen Suspension für diese Methode auf 45 Vol% erhöht wurde. Zudem wurden gering toxische Geliermittel dem Schlicker beigemengt, mittels eines Initiators eine radikalische Polymerisation erzeugt und schließlich die noch fließfähige Suspension in eine nicht-poröse Polydimethylsiloxan-Form überführt, in der sich aufgrund fortschreitender Polymerisation ein 3D-Netzwerk ausbildete. Neben der allgemeinen Wahl der Formgebungstechnik lag ein besonderer Fokus auf der Bewertung optimaler Prozess- und Sinterbedingungen, sodass rissfreie Trägermaterialien auf Siliziumnitrid-Basis mit einer definierten, vollständig offenen Porosität – variierend zwischen 32 % und 41 % – eingestellt werden konnte. Schließlich wurde die Korrelation zwischen der Sintertemperatur, der resultierenden Porosität und der beobachteten Gaspermeabilität untersucht. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse und Daten konnte eine gute Vorhersage der Verarbeitungsparameter ermöglicht werden, die erforderlich ist, um geeignete Permeationseigenschaften für Nichtoxid-Membranträger zu erzielen.

Silicon nitride is an excellent material for demanding applications due to its outstanding thermal and mechanical properties and is therefore receiving increasing attention. As part of this work, porous support structures based on silicon nitride in a defined hollow tube geometry were prepared using colloidal shaping processes. Specifically, the resulting material properties were analyzed for potential applications in the field of membrane-based separation, filtration or catalysis. Specially to produce complex shapes, the right choice of the manufacturing process is essential and not an easy challenge. Two different shaping processes were used to achieve the desired complex structure – conventional slip-casting and gelcasting – both being compared. For the slipcast process, an aqueous, readily pourable slurry with a solid loading of 36 vol% was used. The mold was made from plaster, a porous material that extracts the water from the slurry via capillary forces, thereby depositing the solid to the mold wall. The gel-casting process requires slurries with a higher solid loading. A 45 vol% slurry was made with low-toxic gelling agents which were poured into a non-porous polydimethylsiloxane mold where an initiated polymerization took place. Another important aspect was the optimization of process parameters and the setting of suitable sintering conditions to achieve crack-free silicon nitride-based support structures with a defined open-pore structure. By partial sintering, porosity values between 32 and 41% could be obtained. The air permeability was determined for the prepared samples and evaluated for the desired applications of the complex-shaped non-oxide ceramic support structures such as membrane-based separation, catalysis or high-performance filter materials. In addition, the influence of the varying process parameters could be observed and further optimized based on the obtained permeability values.