Silicakeramiek: het hittebestendige materiaal achter ruimtevaart, chips en 3D-printen
Stel je een handvol gewoon strandzand voor. Dat zand bestaat grotendeels uit siliciumdioxide, ook wel silica genoemd, en is daarmee een van de meest voorkomende stoffen op aarde. Smelt of sinter je dat silica op de juiste manier, dan krijg je een keramisch materiaal dat duizend graden Celsius kan doorstaan zonder te vervormen, nauwelijks warmte doorgeeft en toch verrassend licht kan zijn. Dat is in een notendop silicakeramiek: technisch keramiek gemaakt van bijna zuiver silica, geschikt voor omstandigheden waar gewone materialen het begeven.
Een bekend voorbeeld maakt meteen duidelijk waarom dit materiaal zo bijzonder is. De witte tegels aan de buitenkant van de Amerikaanse spaceshuttle bestonden voor meer dan negentig procent uit silicavezels. Tijdens de terugkeer in de dampkring gloeiden ze aan de buitenkant tot boven de duizend graden, terwijl je de tegel een paar centimeter verderop vrijwel direct met blote handen kon vasthouden. Silicakeramiek is dus niet nieuw — mensen bakken al duizenden jaren met kwarts en klei — maar het materiaal beleeft een tweede jeugd dankzij chipfabrieken, ruimtevaartbedrijven en 3D-printers die er elk om andere redenen niet zonder kunnen.
Wat is het precies?
Silica, oftewel siliciumdioxide (SiO2), komt in de natuur voor als kwarts, kwartszand en verwante mineralen. Om er keramiek van te maken, wordt het eerst gezuiverd: verontreinigingen zoals ijzer of aluminium worden verwijderd, want die verlagen de hittebestendigheid en kleuren het materiaal. Vervolgens zijn er grofweg drie manieren om er een bruikbaar product van te maken.
De eerste route is smelten. Bij zo'n 1700 graden Celsius wordt zuiver silica vloeibaar en kan het worden gegoten of geblazen tot fused silica, een glasachtig, amorf (niet-kristallijn) materiaal. Dit is de vorm die wordt gebruikt voor precisie-optiek en kroezen, omdat het volledig doorzichtig en extreem zuiver kan zijn.
De tweede route is sinteren: silicapoeder of -vezels worden onder hitte en druk aan elkaar gebakken zonder volledig te smelten, waardoor een poreuze structuur ontstaat. Dit levert lichte, isolerende materialen op, zoals de tegels van de spaceshuttle of silica-aerogel, een schuimachtig materiaal dat voor meer dan 99 procent uit lucht bestaat en geldt als een van de beste isolatoren die er zijn.
De derde, nieuwere route is 3D-printen. Met een techniek die binder jetting heet, spuit een printer laag voor laag een bindmiddel op silicazand, waarna het geheel wordt uitgehard en gebakken tot een vaste vorm. Zo kunnen ingewikkelde vormen worden gemaakt die met traditioneel gieten of frezen lastig te maken zijn.
Wat al deze varianten gemeen hebben, is een lage thermische uitzettingscoëfficiënt: het materiaal zet bij verhitting nauwelijks uit. Daardoor barst het niet snel bij plotselinge temperatuurschommelingen, een eigenschap die thermische schokbestendigheid wordt genoemd en die silica geschikt maakt voor situaties waarin materialen razendsnel heet of koud worden.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangstelling voor silicakeramiek komt voort uit een aantal hardnekkige technische problemen. Ruimtevaartorganisaties zoeken al decennia naar materialen die een ruimtevaartuig kunnen beschermen tegen de extreme hitte van terugkeer in de dampkring, zonder het voertuig te zwaar te maken. Silicakeramiek biedt die combinatie van hittebestendigheid en laag gewicht beter dan metalen, die bij die temperaturen zouden smelten of te zwaar zouden zijn.
In de chipindustrie speelt een heel ander probleem. Om steeds kleinere transistors op een chip te kunnen belichten, hebben lithografiemachines lenzen nodig die vrijwel vrij zijn van optische vervorming, ook wanneer ze warm worden van het gebruikte licht. Fused silica is een van de weinige materialen die zowel optisch zuiver als thermisch stabiel genoeg is voor dit soort precisiewerk.
Bij het gieten van metalen onderdelen, zoals turbinebladen voor vliegtuigmotoren, is weer een andere eigenschap belangrijk: dimensionale nauwkeurigheid. Silicakeramische gietvormen houden hun vorm goed bij hoge temperaturen, waardoor het gegoten metaal precies de gewenste vorm krijgt. De belofte van 3D-printen met silicazand is dat zulke vormen sneller, goedkoper en met minder materiaalverspilling gemaakt kunnen worden dan met traditionele mallen.
Samengevat draait het onderzoek naar silicakeramiek om drie doelen: dingen die heet worden beschermen of isoleren, optische systemen stabiel houden onder hitte, en productieprocessen nauwkeuriger en efficiënter maken.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal toepassingen van silicakeramiek is al jarenlang in gebruik en goed gedocumenteerd.
- De Amerikaanse spaceshuttle (1981-2011) gebruikte duizenden silicakeramische tegels, bekend als HRSI-tegels (High-temperature Reusable Surface Insulation), om de romp te beschermen tegen de hitte van terugkeer in de dampkring.
- NASA's Stardust-missie (gelanceerd in 1999, capsule teruggekeerd in 2006) gebruikte silica-aerogel om stofdeeltjes van de komeet Wild 2 op te vangen, zonder dat de deeltjes bij de inslag werden verpulverd.
- In de halfgeleiderindustrie worden kwartskroezen gebruikt om gesmolten silicium in te houden tijdens het Czochralski-proces, de gangbare methode om de siliciumkristallen te laten groeien waaruit computerchips worden gesneden.
- Fabrikanten van lithografiemachines voor de chipindustrie, zoals het Nederlandse ASML, gebruiken lenzen van fused silica die worden geleverd door gespecialiseerde optiekbedrijven, omdat gewoon glas niet zuiver en stabiel genoeg is voor dit precisiewerk.
- Sinds ongeveer het midden van de jaren 2010 printen bedrijven als Voxeljet (Duitsland) en het voormalige ExOne (inmiddels onderdeel van Desktop Metal) gietvormen van silicazand met 3D-printers, onder meer gebruikt door de auto-industrie voor het maken van prototype motorblokken.
Hoe ver is de techniek?
Sommige toepassingen van silicakeramiek zijn volwassen technologie: de tegels van de spaceshuttle en kwartskroezen voor de chipindustrie bestaan al tientallen jaren en zijn grondig beproefd. Ook fused-silica-optiek voor lithografie is een gevestigde, zij het voortdurend verder verfijnde, technologie.
Het front waar nu het meeste gebeurt, is 3D-printen met silicakeramiek. Die techniek staat nog volop in ontwikkeling. Een lastig probleem is dat geprinte onderdelen tijdens het bakproces kunnen krimpen of scheuren, waardoor de uiteindelijke vorm niet meer precies klopt. Ook is het nog zoeken naar de juiste balans tussen printsnelheid en nauwkeurigheid: fijnere details vragen om langzamer printen.
Daarnaast blijft brosheid een fundamentele beperking van keramiek in het algemeen, ook van silicakeramiek: het materiaal is sterk onder druk, maar breekt relatief snel bij trek- of buigbelasting, in tegenstelling tot metalen die eerst vervormen voordat ze breken. Dat maakt ontwerp en kwaliteitscontrole lastiger, zeker bij toepassingen waar falen grote gevolgen heeft, zoals een hitteschild.
Onderzoekers werken verder aan silicakeramiek die bestand is tegen nog hogere temperaturen, bijvoorbeeld voor neuspunten van hypersonische voertuigen die met vele malen de geluidssnelheid door de atmosfeer razen. Dat onderzoek is nog vroeg in ontwikkeling en vaak gecombineerd met andere keramische materialen, omdat zuiver silica bij extreme temperaturen uiteindelijk toch zacht wordt.
Wie werken eraan?
Op het gebied van ruimtevaarttoepassingen is NASA, met name het Ames Research Center, van oudsher toonaangevend geweest in de ontwikkeling van silicategels en aerogel. Ook de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en het Duitse ruimtevaartcentrum DLR doen onderzoek naar thermische beschermingsmaterialen.
In de precisie-optiek en halfgeleidermaterialen zijn Duitse en Japanse bedrijven prominent aanwezig: Carl Zeiss SMT levert fused-silica-optiek voor lithografiemachines, terwijl Japanse bedrijven als Shin-Etsu en Sumco tot de grootste producenten van kwartskroezen en siliciumwafers behoren. Het Nederlandse ASML is als afnemer van deze precisieoptiek indirect nauw verbonden met deze keten.
Op het gebied van technisch keramiek in bredere zin is het Franse Saint-Gobain een belangrijke producent van silicagerelateerde vuurvaste en technische materialen. Onderzoeksinstituten zoals het Duitse Fraunhofer IKTS (Institute for Ceramic Technologies and Systems) in Dresden ontwikkelen nieuwe keramische materialen en productieprocessen, waaronder 3D-printtechnieken voor keramiek. Op het gebied van 3D-printen met silicazand zijn Voxeljet en Desktop Metal (waarin het voormalige ExOne is opgegaan) belangrijke spelers.
Geografisch gezien liggen de zwaartepunten momenteel bij de Verenigde Staten (ruimtevaart), Duitsland (precisiekeramiek en -optiek) en Japan (halfgeleidermaterialen), met een groeiende rol voor China als producent van grondstoffen zoals kwartszand en silicium.