Die Härte und die Eigenschaften von rohem Siliziumkarbid

Siliciumcarbid (SiC) ist eines der härtesten synthetischen Materialien, das nur von Diamant übertroffen wird. Aufgrund seiner extremen Härte, Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit ist SiC ein unschätzbares Material für Schleifmittel und feuerfeste Anwendungen.

Rohsiliciumcarbid kann durch Schmelzen von Quarzsand, Petrolkoks und Holzspänen in einem Widerstandsofen hergestellt werden, wobei entweder schwarzes oder grünes SiC als Nebenprodukt anfällt.

Härte

Siliciumcarbid ist einer der härtesten Werkstoffe, der in seiner Härte nur von Diamant und kubischem Bornitrid übertroffen wird. Mit einer Mohshärte von 9,5 ist Siliciumcarbid sehr schwer zu beschädigen oder zu verschleißen und daher ideal für Anwendungen, die eine hohe Verschleißfestigkeit erfordern, wie Schleifmittel oder feuerfeste Materialien. Darüber hinaus eignet sich Siliciumcarbid aufgrund seiner ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit und minimalen Temperaturausdehnung für Ausrüstungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich, die rauen Umgebungen wie hohen Temperaturen oder Strahlenbelastung standhalten müssen.

Edward Goodrich Acheson entdeckte Siliziumkarbid 1891 zufällig bei dem Versuch, künstliche Diamanten herzustellen. Als er eine Mischung aus Ton und Kokspulver in einer Eisenschüssel erhitzte, nahm er an, dass es sich um eine Legierung aus Silizium und Kohlenstoff handelte, die dem natürlich vorkommenden Korund ähnelte. Später stellte Henri Moissan synthetische Formen her, indem er Silizium in heißem Kohlenstoff auflöste.

Siliciumcarbid wird seit langem als Industrierohstoff verwendet und findet heute in zahlreichen Anwendungen Verwendung, die von Sandpapier, Schleifscheiben und Schneidwerkzeugen bis zur Herstellung von feuerfesten Auskleidungen für Öfen und verschleißfesten Teilen für Pumpen und Raketentriebwerke reichen. Darüber hinaus dient es in der Elektronik als Halbleitergrundstoff, da es höheren Temperaturen, Drücken und Frequenzen standhalten kann als herkömmliche Halbleiter. Es kann auch mit Stickstoff, Phosphor, Beryllium oder Aluminium dotiert werden, um verschiedene Arten von Halbleitern zu bilden.

Wärmeleitfähigkeit

Die außergewöhnliche Härte von Rohsiliciumcarbid, die nur von Diamant und einigen synthetischen Verbindungen übertroffen wird, macht es zu einem unverzichtbaren Material für zahlreiche Anwendungen. Nicht nur seine hohe Verschleißfestigkeit, sondern auch seine Wärmeleitfähigkeit, sein Wärmeausdehnungskoeffizient, seine Halbleitereigenschaften und seine Durchschlagsfestigkeit in elektrischen Feldern machen es zu einem erstklassigen Kandidaten. Darüber hinaus kann es je nach Zusammensetzung der Rohstoffe schwarz oder grün erscheinen, je nach den angewandten Produktionsverfahren.

Die Siliciumcarbid-Synthese erfordert eine sorgfältige Auswahl und Prüfung der Rohstoffe, um die Reinheit und Qualität des Endprodukts zu kontrollieren. Nach der Auswahl werden sie in einen Ofen geleitet, wo eine Verkokungsreaktion bei hohen Temperaturen von 2000-2500 Grad Celsius stattfindet. Vor diesem Schritt werden sie auch pulverisiert und gesiebt, um die Anforderungen des Produktionsprozesses hinsichtlich der Partikelgröße zu erfüllen.

Arbeitnehmer, die mit Siliciumcarbid umgehen, sollten äußerste Vorsicht walten lassen, um eine Exposition von Haut und Augen sowie Erkrankungen der Atemwege zu vermeiden. Siliciumcarbid sollte immer in versiegelten Behältern in einer kühlen Umgebung gelagert und transportiert werden, und es sollten Notduschen für den Fall einer Exposition zur Verfügung stehen; außerdem sollten die Arbeitnehmer kontaminierte Arbeitskleidung waschen, bevor sie den Arbeitsplatz verlassen und nach Hause gehen. In einer idealen Welt würden technische Kontrollmaßnahmen die Expositionswerte verringern; dennoch kann je nach Aufgabe eine persönliche Schutzausrüstung erforderlich sein.

Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Reaktionen

Siliziumkarbid ist eines der härtesten verfügbaren Materialien mit einer Mohshärte von 9-10 (nach Diamant und bestimmten synthetischen Verbindungen). Darüber hinaus eignet es sich aufgrund seiner Hitzebeständigkeit für feuerfeste und verschleißfeste Anwendungen, während seine elektrische Leitfähigkeit höhere Ströme/Spannungen/Energieverluste ohne Unterbrechung der Leistungserbringung ermöglicht.

Das Acheson-Verfahren ist die gängigste Methode zur Herstellung von Siliciumcarbid. Rohstoffe wie Quarzsand und Petrolkoks werden in einem elektrischen Widerstandsofen zusammengeführt, bevor ein elektrischer Strom durch sie hindurchfließt und eine chemische Reaktion zwischen dem Kohlenstoff aus dem Koks und dem Silizium aus dem Sand auslöst, die SiC bildet. Diese Reaktion dauert in der Regel mehrere Tage, bis sich ein SiC-Block gebildet hat, der dann raffiniert, verfeinert, pulverisiert, gesiebt, geformt und schließlich zum Endprodukt verarbeitet wird.

Bei jedem Schritt dieses Prozesses ist es wichtig, dass die Arbeitnehmer Maßnahmen ergreifen, um sich vor der Exposition gegenüber Siliziumkarbidstaub zu schützen. Bei der Arbeit mit Siliziumkarbidstaub sollten die Arbeitnehmer Schutzbrillen und Schutzkleidung tragen, die verhindern, dass der Staub in die Augen gelangt oder mit der Haut in Berührung kommt; wenn doch einmal Staub auf exponierte Stellen gelangt, sollten sie die Kleidung sofort waschen, um Abschürfungen oder andere Komplikationen zu vermeiden. Außerdem müssen die Arbeitnehmer auf die Risiken achten, die damit verbunden sind, dass sie schmutzige Arbeitskleidung mit nach Hause nehmen; bei Bedarf sollten sie auch die von ihrem Unternehmen bereitgestellten Notduschen am Ende der Schicht nutzen.

Elektrische Leitfähigkeit

Siliciumcarbid ist ein Halbmetall, d. h. es liegt zwischen Metallen (die Elektrizität leiten) und Isolatoren (die keine Elektrizität leiten). Bei hohen Temperaturen erweist sich Siliciumcarbid als hervorragender elektrischer Leiter; seine Wirksamkeit hängt jedoch von den Verunreinigungen ab, die in seiner Zusammensetzung enthalten sind.

Carborundum wird durch die Reaktion zwischen Quarzsand und Kohlenstoff in einem Elektroofen mit einer Kohlenstoffelektrode als Stromquelle hergestellt. Dabei entsteht ein Gemisch aus Si und C, das auf etwa 2.700 Grad Celsius erhitzt wird, wo die Kristallbildung beginnt, die der Bildung von Siliziumkarbidkristallen ähnelt, die als “Carborundum” bekannt sind. Heute findet man dieses Material unter anderem in Schleifmitteln, Schneidwerkzeugen und feuerfesten Materialien sowie als Halbleitersubstrat für Leuchtdioden.

Bei modernen Verfahren zur Herstellung des Schleifmaterials wird Quarzsand mit Kokspulver in einem gemauerten elektrischen Widerstandsofen gemischt und ein elektrischer Strom durch die Kohleelektrode geleitet, um eine chemische Reaktion mit dem Quarzsand zu bewirken, bei der Karbidmaterial entsteht.

Das Rohmaterial muss zunächst geschliffen werden, um die durch das Schneiden verursachten Messerspuren zu beseitigen und die Oberflächenrauhigkeit zu verringern, gefolgt von einem Feinschliff, um eine einheitliche Textur zu erzielen. Anschließend wird ein Sinterhilfsmittel hinzugefügt und unter Druck in einer Argon- oder Stickstoffatmosphäre gesintert; die elektrische Leitfähigkeit der gesinterten Materialien hängt von ihrer Zusammensetzung und Konzentration während dieses Schritts des Sinterprozesses ab.