Poröse Keramikträger aus Siliziumkarbid (SiC) finden aufgrund ihrer hervorragenden thermischen Stabilität, ihrer hohen mechanischen Festigkeit und ihrer ausgezeichneten chemischen Beständigkeit breite Anwendung in modernen Membranfiltrationssystemen.
Keramische Werkstoffe auf SiC-Basis eignen sich besonders für raue Umgebungen wie die Hochtemperaturfiltration, die Abwasserbehandlung und die chemische Verarbeitung. Herkömmliche SiC-Keramiken erfordern jedoch extrem hohe Sintertemperaturen (>2000 °C), was die industrielle Großserienfertigung einschränkt.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat sich das Niedertemperatur-Flüssigphasensintern unter Verwendung von Glaszusätzen als wirksame Lösung erwiesen.
Strategie zum Niedertemperatursintern von SiC-Keramiken
In dieser Studie wurde eine zirkoniumhaltige Glasfritte aus kostengünstigem Schiefer gewonnen, wurde als Sinterhilfsmittel eingeführt, um die Flüssigphasenbindung zu fördern und die Sintertemperatur deutlich zu senken.
Die Glasfritte wird durch Schmelzen von Schieferrohstoffen bei 1500 °C hergestellt, wodurch ein Mehrfachoxid-Glassystem entsteht, das folgende Bestandteile enthält:
- SiO₂, Al₂O₃, CaO (Gitterstruktur)
- ZrO₂ (verbessert die Korrosionsbeständigkeit)
- Fe₂O₃, MgO, Na₂O, K₂O (verbessern die Sinteraktivität)
Dieser Ansatz ermöglicht die Verdichtung von SiC-Keramiken bei 1100–1250 °C, wodurch der Energieverbrauch erheblich gesenkt wird.
Rohstoffe und Herstellungsverfahren
Rohstoffsystem
- Siliziumkarbid (SiC)-Pulver (Reinheit 99,5%, D50 ≈ 15,1 μm)
- Zirkoniumhaltige Glasfritte (Additiv für das Niedertemperatursintern)
- Graphitpartikel (D50 ≈ 19,4 μm, porenbildendes Mittel)
- Carboxymethylcellulose (CMC, Bindemittel)
Verarbeitungsschritte
- Mischen von SiC-Pulver, Glasfritte und Graphit in festgelegten Mischungsverhältnissen
- Kugelmahlen mit einer 0,5%-CMC-Lösung (30 Minuten)
- Trocknung und Granulierung
- Einachsiges Pressen bei 30 MPa
- Sintern bei 1100–1250 °C für 3 Stunden
Das Endprodukt ist ein poröser SiC-Keramikträger mit einem stabilen, miteinander verbundenen Porennetzwerk.
Charakterisierung der Mikrostruktur und der Leistungsmerkmale
1. Porositätskontrolle
Die Porosität lässt sich durch Anpassung des Glasfritten- und Graphitanteils effektiv steuern:
- Porosität: ~30%–40%
- Gleichmäßige und zusammenhängende Porenstruktur
- Stabile Porengrößenverteilung
Graphit verbrennt beim Sintern und bildet dabei durchgehende, offene Kanäle, die die Durchlässigkeit verbessern.
2. Mechanische Festigkeit
Unter optimierten Bedingungen (20%-Glasfritte, 15%-Graphit, gesintert bei 1180 °C):
- Biegefestigkeit: 67,1 MPa
- Ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Porosität
- Stabile strukturelle Integrität
Die Glasphase verbessert die Partikelbindung und erhöht die strukturelle Stabilität.
3. Analyse der Phasenzusammensetzung
Die Ergebnisse der Röntgenbeugung zeigen:
- Hauptphase: SiC
- Glasartige Phase in geringem Umfang vorhanden
- Es wurden keine zerstörerischen Sekundärphasen beobachtet
Dies bestätigt, dass das Flüssigphasensintern den Verdichtungsmechanismus dominiert.
4. Mikrostruktur (REM-Untersuchung)
Die mikrostrukturelle Analyse zeigt:
- Gleichmäßige Verteilung der SiC-Partikel
- Glasphasenbindung zwischen Partikeln
- Gut ausgebildete, miteinander verbundene Porenkanäle
- Durchschnittliche Porengröße: 1,37 μm
Diese Struktur eignet sich ideal für Anwendungen im Bereich der Membranfiltration.
5. Durchlässigkeit und Wasserfluss
Der optimierte poröse SiC-Träger weist folgende Eigenschaften auf:
- Durchschnittliche Porengröße: 1,37 μm
- Reines Wasser als Flussmittel: 8075 L/(m²·h·bar)
Dies belegt die hervorragende Durchlässigkeitsleistung von Mikrofiltrationssystemen.
6. Beständigkeit gegen Säure- und Laugenkorrosion
Die chemische Stabilität wurde unter extremen Bedingungen untersucht:
- Saures Milieu: pH = 0 (H₂SO₄, 80 °C)
- Alkalisches Milieu: pH-Wert = 14 (NaOH, 80 °C)
- Einweichzeit: 24 Stunden
Ergebnisse:
- Erhalt der Biegefestigkeit nach Säurebehandlung: 47,4 MPa (Verlust von 29,41 TP3T)
- Beibehaltung der Biegefestigkeit nach Alkalibehandlung: 46,7 MPa (Verlust von 30,41 TP3T)
Die Probe mit der Glasfritte 20% weist die beste chemische Gesamtstabilität auf.
Die wichtigsten Vorteile poröser SiC-Keramikträger
- ✔ Niedertemperatursintern (1100–1250 °C)
- ✔ Hohe Porosität (~36%)
- ✔ Hohe Biegefestigkeit (67,1 MPa)
- ✔ Extrem hoher Wasserfluss (8075 L/m²·h·bar)
- ✔ Hervorragende Säure- und Laugenbeständigkeit
- ✔ Kostengünstige Rohstoffe (aus Schiefer gewonnene Glasfritte)
Industrielle Anwendungen
Poröse SiC-Keramikträger finden breite Anwendung in:
- Membranen für die industrielle Abwasserbehandlung
- Hochtemperatur-Gasfiltersysteme
- Anlagen zur chemischen Trennung und Reinigung
- Trägerstrukturen für Katalysatoren
- Präzisions-Mikrofiltrationsmembranen
Schlussfolgerung
Diese Studie stellt einen kosteneffizienten Ansatz zur Herstellung poröser SiC-Keramikträger vor, bei dem eine aus Schiefer gewonnene Zirkoniumglasfritte als Sinterhilfsmittel verwendet wird.
Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen:
- Deutliche Senkung der Sintertemperatur
- Verbesserte Steuerbarkeit der Porenstruktur
- Verbesserte mechanische Eigenschaften und Durchlässigkeit
- Hohe Beständigkeit gegenüber sauren und alkalischen Umgebungen
Diese Technologie eröffnet vielversprechende Perspektiven für den großtechnischen Einsatz von keramischen Membrenträgern auf SiC-Basis unter rauen Betriebsbedingungen.
