Was ist Siliziumkarbid?

Siliciumcarbid, gemeinhin als SiC bezeichnet, ist ein extrem hartes, dunkelbraunes bis schwarzes, synthetisches, kristallines Mineral, das 1891 von Edward Goodrich Acheson zur Verwendung als Schleifmittel entwickelt wurde.

Reines Siliciumcarbid ist farblos und kann für Halbleiteranwendungen mit Stickstoff oder Phosphor n-dotiert und für andere Anwendungen mit Beryllium, Bor oder Aluminium p-dotiert werden.

Merkmale

SiC, gemeinhin als Siliziumkarbid bezeichnet, ist ein extrem hartes Material (nach Diamant und einigen synthetischen Verbindungen) und äußerst hitzebeständig. Je nach den für die Herstellung verwendeten Rohstoffen kann SiC schwarz oder grün erscheinen, je nachdem, wie stark es mit Bor, Stickstoff oder Aluminium dotiert wurde. Siliciumcarbid fungiert auch als Halbleitermaterial und die Dotierung mit solchen Elementen kann die metallische Leitfähigkeit weiter erhöhen.

Siliciumcarbid unterscheidet sich von Siliciumnitrid dadurch, dass bei seiner Bildung die Silicium- und Kohlenstoffatome in seiner Kristallstruktur fest miteinander verbunden sind und als Tetraeder angeordnet sind, was dem Material eine höhere kovalente Festigkeit verleiht, wenn es Druck ausgesetzt wird.

Siliziumkarbid zeichnet sich durch eine hervorragende Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aus und funktioniert zuverlässig bei Temperaturen von 1600 Grad Celsius, ohne seine strukturelle Integrität zu verlieren, während es gleichzeitig eine niedrige Wärmeausdehnungsrate aufweist.

Der Zusammenbau von Siliziumkarbid erfordert die Zugabe eines Sinterungsadditivs, um die Verdichtung zu erleichtern. Diese bestehen in der Regel aus 0,5% Kohlenstoff und 0,5% Bor, die reagieren, um die Bildung von SiO2 auf der Oberfläche zu verhindern und die Korngrenzenenergie zu verändern, um eine Porenschrumpfung zu bewirken. Siliziumkarbid hat auch hervorragende physikalische Eigenschaften: Es hat eine Härte von 9,5 auf der Mohs-Skala und lässt sich durch Formgebung oder Gießverfahren leicht in fast jede gewünschte Form bringen.

Anwendungen

Siliciumcarbid (SiC) ist ein anorganisches Material, das aus Silicium und Kohlenstoff besteht und zu einer der vielseitigsten feuerfesten Keramiken geworden ist, die in der Industrie verwendet werden, von Sandpapier und Schleifscheiben bis hin zu Ofenauskleidungen, verschleißfesten Teilen für Pumpen, Raketentriebwerken und Halbleitersubstraten. Aufgrund seines harten, synthetisch hergestellten Charakters und seiner inhärent beeindruckenden mechanischen Eigenschaften ist Siliziumkarbid ein attraktiver Kandidat für die Verwendung als Halbleitersubstratmaterial.

Carborundum-Schleifmittel werden in der Regel als Pulver oder Kristalle hergestellt, die zu verschiedenen Schleifprodukten gemahlen werden können. Ihre Verwendung wurde mit diffuser interstitieller Lungenfibrose und Lungenkrebs bei Arbeitnehmern in Verbindung gebracht, die großen Mengen ausgesetzt waren.

Edward Goodrich Acheson wird die Entdeckung des Moissanits zugeschrieben. Bei dem Versuch, Diamanten aus Ton herzustellen, entdeckte Acheson beim Erhitzen mit Koks und erneutem Erhitzen mit Hitze und Dampf einen harten, blau-schwarzen Kristall, der als Karborund bekannt ist - die erste Entdeckung. Acheson erkannte dessen industrielles Potenzial und gründete 1891 eine Schleifmittelfirma, um ihn kommerzieller herzustellen. Natürlicher Moissanit ist äußerst selten; der größte Teil wird heute durch synthetische Verfahren hergestellt und mit Stickstoff oder Phosphor zur Verwendung als n-Typ-Halbleiter oder mit Beryllium, Bor-Aluminium oder Gallium zur Bildung von p-Typ-Halbleitern dotiert.

Herstellung

Siliziumkarbid ist ein Schleifmaterial mit hervorragender thermischer Stabilität, das sich für viel höhere Übergangstemperaturen als Silizium eignet (d. h. über 200 °C). Darüber hinaus eignet sich dieses starke und dennoch verschleißfeste Material hervorragend für Schleifwerkzeuge, die in anspruchsvollen industriellen Umgebungen eingesetzt werden.

Siliciumcarbid, ein hochkristallines Material, wird durch Sintern von Rohmaterialgranulat mit verschiedenen Sinterhilfsmitteln wie 0,5% Bor hergestellt, um die Kristallstruktur und die Porosität zu erhöhen - zwei wesentliche Voraussetzungen für eine effektive Sinterung. Sinterhilfsmittel verbessern auch die Verdichtung und ermöglichen glatte, feinkörnige Strukturen, indem sie dem Material beispielsweise eine ausreichende Porosität verleihen, so dass Sinterprozesse leichter ablaufen können.

Die Hersteller kombinieren gleiche Mengen an Siliziumdioxid (in Form von Quarzsand) und Kohlenstoff, in der Regel Koks, bevor sie diese Mischung in einem Graphitofen auf 2.500 Grad Celsius erhitzen, um eine chemische Reaktion auszulösen, bei der Siliziumkarbid entsteht.

Sobald die Siliciumcarbidblöcke abgekühlt sind, werden sie von Facharbeitern sorgfältig sortiert und nach Größe in schmale Fraktionen eingeteilt, um sie gegebenenfalls für bestimmte Anwendungen zu mahlen. Dieser Prozess kann sehr energieintensiv sein. Manchmal wird Siliciumcarbid auch chemisch weiterbehandelt, um bestimmte Eigenschaften für bestimmte Verwendungszwecke zu erzielen; Arbeitnehmer, die der Siliciumcarbidherstellung ausgesetzt sind, können Atemwegserkrankungen wie diffuse interstitielle Lungenfibrose oder Karborundlunge entwickeln.

Sicherheit

Siliziumkarbidverbindungen sind aufgrund ihrer Härte ideal für die Herstellung kugelsicherer Panzerungen. Durch Sintern werden Siliziumkarbidkörner zu harten Keramikblöcken zusammengefügt, die dem Eindringen von Kugeln und anderen schädlichen Stoffen widerstehen und Schutz vor dem Durchdringen von Kugeln und anderen Formen des Eindringens bieten. Darüber hinaus ermöglichen ihre Schlagfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit den Einsatz in indirekten Hochtemperaturheizanwendungen wie der Auskleidung großer Hochöfen.

Siliciumcarbid kommt in der Natur in Form des Minerals Moissanit vor und wurde erstmals 1893 als Schleifmittel in Massenproduktion hergestellt. Heute besteht der Großteil der kommerziellen Verkäufe dieser Verbindung aus synthetischen Pulvern oder Einkristallen, die synthetisch für den kommerziellen Verkauf hergestellt werden. Siliziumkarbid wird seither für verschiedene strukturelle Materialanwendungen verwendet, u. a. für Autobremsen und -kupplungen sowie für kugelsichere keramische Westen; außerdem kann Moissanit auch zu Moissanit-Edelsteinen geschliffen werden, obwohl die meisten derzeit verkauften Sorten synthetisch sind.

Bei Arbeitnehmern, die mit der Herstellung von Siliciumcarbid oder der Verwendung von Karborund-Schleifmitteln zu tun haben, kann es zu einer diffusen interstitiellen Lungenfibrose kommen, die zu einer Verdickung des Lungengewebes und einer verminderten Sauerstoffversorgung führt - was letztlich zum Tod führt. Richtige Belüftung und Schutzausrüstung können dieses Risiko verringern. Darüber hinaus wird durch die Zugabe von 3 Gewichtsprozent Lanthan der Bedarf an Aktivierungsenergie um das Dreifache gesenkt und gleichzeitig die Agglomerationsrate der Partikel verringert.