Vorteile von Siliziumkarbid

Siliziumkarbid ist eines der härtesten und widerstandsfähigsten keramischen Materialien, das sich durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit und hohe Temperaturfestigkeit auszeichnet. Dieses Material eignet sich besonders gut für Umgebungen, die Korrosionsbeständigkeit oder hohe Temperaturbeständigkeit erfordern.

Carborundum, das aus Silizium- und Kohlenstoffverbindungen besteht, kommt in der Natur in Form des seltenen Minerals Moissanit vor, wird aber seit 1893 in großen Mengen als Schleifmittel hergestellt.

Härte

Siliziumkarbid zeichnet sich durch eine extrem hohe Härte aus, die es für mechanische und Verschleißanwendungen geeignet macht, einschließlich solcher, bei denen ein mechanischer Kontakt mit Wasser oder Feuchtigkeit besteht. Als hervorragender Bearbeitungswerkstoff findet Siliziumkarbid aufgrund seiner chemischen Stabilität, seiner Korrosionsbeständigkeit und seines niedrigen Reibungskoeffizienten zahlreiche Anwendungen in der Industrie, darunter Maschinenteile für maschinelle Verarbeitungsanlagen wie z. B. Halbleiterverarbeitungsanlagen sowie allgemeine industrielle Anwendungen - es behält seine Festigkeit sogar bei Temperaturen von bis zu 1400 Grad Celsius! Außerdem ist es elektrisch halbleitend!

Die Kristallstruktur von Siliciumcarbid ähnelt der von Diamant, wobei die Kohlenstoff- und Siliciumatome in Tetraedern angeordnet sind. Dies trägt zu den außergewöhnlichen Eigenschaften von SiC bei, wie z. B. Hochtemperaturfestigkeit, ausgezeichnete Oxidations- und Temperaturwechselbeständigkeit, Härte und Härte (nur ein anderes Material ist härter: Bornitrid mit einer Brinell-Härte von 2700 Grad Celsius).

Die Herstellung von silikonisiertem Siliziumkarbid erfordert mehrere Produktionsmethoden. Im Handel erhältliches gesintertes Siliciumcarbid (SSiC) wie Hexoloy von Saint Gobain wird in der Regel durch Reaktionsbindung von porösem SiC-Pulver mit pulverförmigem Kohlenstoff und Weichmacher für die Reaktionsbindung vor dem Sintern hergestellt; zu den alternativen Herstellungsverfahren gehören Trockenpressen und Strangpressen.

Elkems spezielles Verfahren zur Herstellung von silikonisiertem Siliziumkarbid, bekannt als EPS, führt zu einer Keramik, die im Vergleich zu Kohlenstoffgraphit eine höhere Biegefestigkeit aufweist - insbesondere dann, wenn die Partikelgröße aufgrund der von Elkem vorgenommenen Reduzierung der ursprünglichen SiC-Pulverpartikel abnimmt. Dies verschafft Elkem einen Vorsprung bei der Keramikproduktion, der mit Kohlenstoffgraphitprodukten konkurriert.

Wärmeleitfähigkeit

Siliziumkarbidkeramik hat im Vergleich zu anderen Keramiken eine außergewöhnlich hohe Wärmeleitfähigkeit. Außerdem ist es aufgrund seiner halbleitenden Eigenschaften und seiner guten Korrosionsbeständigkeit für viele chemische Umgebungen geeignet. Darüber hinaus hat dieses harte Material eine sehr geringe Wärmeausdehnung und kann Temperaturen von bis zu 1400 Grad Celsius standhalten, ohne dass die Festigkeit wesentlich abnimmt.

Aufgrund seiner starken Bindungen innerhalb seines Kristallgitters weist dieses Material eine außergewöhnliche chemische Beständigkeit auf. Es reagiert nicht negativ mit Säuren, Laugen oder geschmolzenen Salzen und bietet gleichzeitig eine hervorragende Erosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit.

Die SiSiC- und NSiC-Produkte von Saint Gobain bieten ein Höchstmaß an Präzision und Genauigkeit in industriellen Messgeräten, die bei hohen Temperaturen arbeiten und Achsen präzise positionieren müssen, wie beispielsweise in der industriellen Messtechnik. Ihre überlegene Stabilität im Vergleich zu herkömmlichen Aluminiumoxid- oder Aluminiumkeramiken macht sie zur ersten Wahl.

Siliciumcarbid zeichnet sich auch durch eine hervorragende Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit aus und kann bei sehr hohen Temperaturen mit nur geringem Verlust an Eigenschaften wie Härte oder Steifigkeit eingesetzt werden. Diese Eigenschaften machen Siliciumcarbid zu einer außergewöhnlich vielseitigen Strukturkeramik.

Siliciumcarbid ist leicht und hat eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität, so dass es sich für die Herstellung verschiedener Formen und Größen eignet, um die Anforderungen der Kunden zu erfüllen. Aufgrund dieser Vielseitigkeit ist Siliziumkarbid zu einem der begehrtesten keramischen Strukturwerkstoffe geworden, der in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt wird, wie z. B.:

Wärmeausdehnungskoeffizient

Siliciumcarbid (gemeinhin als Karborund bezeichnet) wurde ursprünglich durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Sand und Kohlenstoff hergestellt, wobei eine harte chemische Verbindung entstand, die als Siliciumcarbid oder Karborund bekannt ist und zu Blöcken, Platten oder sogar Edelsteinen verdichtet werden kann. Mit seinen Halbleitereigenschaften mit breiter Bandlücke und seinem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist Siliciumcarbid ein hervorragendes Material für den Einsatz bei höheren Temperaturen oder erhöhtem Druck.

Untersuchungen von 3C-SiC mittels Röntgenpulverdiffraktometrie zeigen, dass der Gitterparameter etwa 4,596 A beträgt und die Phononendispersionskurven nahezu flach sind. Die mit dem Gruneisen-Formalismus und CASTEP-Codes berechneten Werte für die Wärmeausdehnung nähern sich bei Raumtemperaturen etwa 2,4x 10-6/degC.

Die thermische Ausdehnung von SiC hängt in erster Linie von seiner Kristallstruktur und der Art und Weise ab, wie die Atome darin angeordnet sind, mit leichten Anisotropien bei Messungen parallel und senkrecht zur c-Achse.

Silikose, die durch das Einatmen von Staub verursacht wird, der Siliziumdioxidpartikel oder -fasern enthält, ist eine ernste und chronische Lungenerkrankung, die der Bergarbeiterlunge oder Asbestose ähnelt. Arbeitnehmer, die Karborund-Schleifmittel herstellen oder verwenden, sind anfälliger für diese Krankheit; die Symptome ähneln denen von Rauchern und können eine fortschreitende, fibrotische Lungenerkrankung umfassen, die tödlich verlaufen kann; sie wurde auch mit erhöhten Lungenkrebs- und Herzinfarktraten in Verbindung gebracht.

Elektrische Leitfähigkeit

Siliciumcarbid (SiC) ist ein Breitband-Halbleitermaterial mit einer Bandlücke zwischen 2,2 und 3,3 Elektronenvolt (eV). Materialien mit einer schmaleren oder breiteren Bandlücke verhalten sich entweder als Leiter oder als Isolator; aufgrund der breiteren Bandlücke von SiC kann es bei höheren Temperaturen betrieben werden als andere Halbleiterbauelemente.

Materialien mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften wie Aluminium sind eine attraktive Wahl für elektronische Anwendungen wie Leuchtdioden (LEDs) und Transistoren. Außerdem eignet es sich aufgrund seiner hervorragenden tribologischen Eigenschaften für Bauteile wie Gleitringe, Pumpenräder und Schiffspropeller.

Siliziumkarbid ist ein ideales Material für die Isolierung von Hochspannungsschaltungen in Wechselrichtern, um die Reichweite zu erhöhen, während die Energieeffizienz sinkt. Dank seiner Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit, thermischen Eigenschaften und Langlebigkeit verbessert es die Leistung, verringert die Größe/Gewicht/Zuverlässigkeit des Systems erheblich und gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb.

Um die Leistung von silikonisierten Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffen zu optimieren, wurden verschiedene Oberflächenbehandlungen untersucht. Dazu gehörten PSZ- und Siliziumkarbonitrid-Beschichtungen, die direkt auf SiC-Teilchen aufgetragen wurden, bevor sie in eine Matrix eingebracht wurden; anschließend wurde die thermische und elektrische Leitfähigkeit geprüft.

Konvertierte Graphitmaterialien, die eine ausreichende Porosität für die Siliziuminfiltration aufweisen, können als Ausgangsmaterial für Siliziumisierungsprozesse dienen, wobei eine Porosität von 5 Vol. % bis 29 Vol. % als ideales Ausgangsmaterial dient.