Vorteile von silikonisiertem Siliziumkarbid

Siliziumkarbid ist korrosions-, abrieb- und erosionsbeständig; es ist ein leistungsfähiges Schleifmittel; es hält den hohen Temperaturen in Chemieanlagen und Papierfabriken stand; es ist ein beeindruckendes Schleifmittel; es ist verschleißfest in Rohrsystemen - insgesamt eine hervorragende Materialwahl!

Die vorliegende Erfindung betrifft ein silikonisiertes Siliciumcarbidmaterial, das durch seine Alpha- (a-SiC) oder Beta- (b-SiC) Siliciumcarbidmatrix mit offener Porosität gekennzeichnet ist, die Silicium enthält, wobei Silicium seine Poren füllt, um einen Verbundstoff mit einer Endporosität von weniger als 4 Vol. % zu bilden.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Siliziumkarbid ist ein extrem widerstandsfähiges Material. Es ist in der Lage, hohen Temperaturen standzuhalten und dabei seine Struktur zu bewahren. Daher ist es ein ideales Material für Umgebungen, die eine hohe Hitzebeständigkeit erfordern. Außerdem kann Siliziumkarbid elektrischen Feldspannungen widerstehen, die etwa zehnmal höher sind als die von Silizium.

Die hohe Festigkeit und geringe Dichte von Siliziumkarbid machen es zu einem idealen keramischen Werkstoff für den Einsatz in Chemieanlagen, Mühlen, Expandern und Düsen. Es zeichnet sich durch seine Korrosions-, Abrieb- und Erosionsbeständigkeit sowie Reibungsverschleiß aus und verfügt über einen hervorragenden Elastizitätsmodul von über 400 GPa sowie eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen Säuren und Laugen.

Das SiC-Atomgitter besteht aus Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Siliziumatomen in einer verzahnten Struktur, die diesem Material seine Härte und mechanische Festigkeit sowie weitere Eigenschaften wie geringe Dichte, hoher Elastizitätsmodul, Inertheit, hervorragende Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmeausdehnung verleiht.

Die beeindruckende Langlebigkeit von Siliziumkarbid täuscht über seine Fähigkeit hinweg, Energie schnell zu absorbieren und zu übertragen. Dadurch eignet es sich ideal für Anwendungen wie die Hochfrequenztechnik, die schnelle Schaltgeschwindigkeiten bei minimaler Verlustleistung und kleinere Geräte bei gleicher Leistung erfordern.

Hohe Festigkeit

Siliziumkarbid besitzt eine außergewöhnliche Festigkeit, Härte und Temperaturwechselbeständigkeit. Als nicht korrosives Material kann es Temperaturen von bis zu 1600 Grad Celsius standhalten, ohne sich zu zersetzen, und verfügt über eine hervorragende Schlag- und Biegefestigkeit, so dass es sich für tragende Anwendungen eignet.

Siliziumkarbid unterscheidet sich von Silizium dadurch, dass seine Atome vier statt zwei Bindungen eingehen. Dadurch ist das Material viel stärker als sein Gegenstück auf Siliziumbasis und kann einem fast zehnmal so starken elektrischen Feld standhalten. Darüber hinaus zeichnet es sich durch eine hohe Wärmebeständigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus, was es zu einem idealen Material für eine Reihe von industriellen Anwendungen macht.

Die chemische Zusammensetzung von Siliciumcarbid aus vier Kohlenstoff- und Siliciumatomen, die in vier Tetraedern angeordnet sind, ergibt eine extrem dichte Struktur. Als extrem widerstandsfähiges Material hält Siliciumcarbid hohen Temperaturen, geschmolzenen Salzen und Säuren stand, ohne sich zu zersetzen oder aufzulösen.

Siliciumcarbid kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, darunter Reaktionsbindung und Sintern, wobei jedes Verfahren die Mikrostruktur in seiner endgültigen Form verändert. Reaktionsgebundenes SiC entsteht durch Infiltration von Presslingen aus Silizium-Kohlenstoff-Gemischen mit flüssigem Silizium, das mit dem Kohlenstoff zu mehr SiC reagiert, bevor es unter inerten Bedingungen gesintert wird, um mehr von dieser Substanz zu bilden. Die Wurtzit-Kristallstruktur bildet das Alpha-SiC (a-SiC), während die kubische Beta-Modifikation b-SiC zu den Verfahren zur Herstellung von SiC gehört.

Hohe Steifigkeit

Die Steifigkeit von Siliziumkarbid ist ein wesentlicher Bestandteil bei der Konstruktion von Bauteilen. Eine hohe spezifische Steifigkeit ist äußerst wünschenswert, da sie das Gewicht reduzieren und gleichzeitig die Festigkeit von Strukturen erhöhen kann.

Die außergewöhnliche Steifigkeit von Siliciumcarbid ist auf seine einzigartige tetraedrische Kristallstruktur zurückzuführen, bei der jedes Siliciumatom starke kovalente Bindungen mit vier anderen Siliciumatomen eingeht, die ein ineinandergreifendes sechseckiges Gitter von Bindungen zwischen sich selbst und vier anderen bilden, die das Kristallgerüst bilden. Diese Struktur ist auch für seine unglaubliche Härte verantwortlich.

Siliziumkarbid ist einer der leichtesten und stärksten keramischen Hochleistungswerkstoffe und weist eine Bruchzähigkeit von 6,8 MPa m0,5 auf, die das Auftreten von Rissen erschwert. Eine Biegefestigkeit von 490 MPa und ein extrem hoher Elastizitätsmodul von 440 GPa belegen seine Belastbarkeit.

Siliziumkarbid zeichnet sich unter den anderen Werkstoffen durch seinen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und seine Beständigkeit in schwierigen Umgebungen aus. Dadurch eignet es sich für Gasturbinen und Raketendüsen sowie für andere anspruchsvolle Anwendungen wie Kombinationen aus hohen Temperaturen und hohem Druck, ohne dass es zu einer Verschlechterung kommt. Die Steifigkeit von Siliciumcarbid hängt von der Reinheit, dem polykristallinen Typ, dem Entstehungsprozess und der Auswahl der Sorte ab. Durch die Auswahl der idealen Siliciumcarbid-Sorte kann die spezifische Steifigkeit erhöht und gleichzeitig die Massendichte verringert werden, indem B4C hinzugefügt wird, das den E-Modul erhöht und gleichzeitig die Massendichte verringert.

Niedrige Wärmeleitfähigkeit

Siliziumkarbid ist ein hartes Material mit einer Bruchzähigkeit von 6,8 MPa m0,5, was seine Widerstandsfähigkeit gegen Rissausbreitung belegt. Darüber hinaus bestätigt sein Elastizitätsmodul von 440 GPa seine Steifigkeit - damit ist es nur noch härter als Diamant und Borkarbid.

Die elektrischen Eigenschaften von Siliziumkarbid übertreffen die seiner handelsüblichen Alternativen, wobei die Durchbruchspannung im Vergleich zu Silizium etwa 600 V beträgt. Siliziumkarbid kann sogar das Zehnfache davon erreichen.

SiC zeichnet sich durch hervorragende Oxidationsbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, Härte, chemische Stabilität und die Herstellung polykristalliner Formen aus; entweder als monokristalline Keramik (a-SiC) oder als polykristalline Form, wobei letztere eine kubische Zinkblende-Struktur mit tetraedrischer Koordination der Siliziumatome ähnlich der Wurtzit-Kristallstruktur aufweist.

Siliciumcarbid kann auf zwei Arten hergestellt werden: durch Reaktionsbindung oder durch Sintern. Jedes Verfahren führt zu unterschiedlichen Mikrostrukturen; reaktionsgebundenes Siliciumcarbid hat in der Regel eine ungleichmäßige Mikrostruktur aus groben Partikeln, die teilweise mit der Matrix verbunden sind, was zu einem geringeren Volumenanteil und einer schlechteren Wärmeleitfähigkeit führt als verdichtete Mikrostrukturen mit einem höheren Volumenanteil an SiC und einer besseren Wärmeleitfähigkeit, die durch Sintern hergestellt werden.