Kohlenstoff Siliziumkarbid

Siliziumkarbid bietet zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften und lässt sich leicht herstellen. Es kann selbstgebunden, nitridgebunden oder mit Bor behandelt werden, um die Verdichtung zu erhöhen.

Moissanit kommt in der Natur vor, wird jedoch seit 1893 in Pulver- und Kristallform für den Einsatz als Schleifmittel in Massenproduktion hergestellt. Aufgrund seiner Härte und seines Halbleiterverhaltens mit großer Bandlücke hat sich Moissanit zudem zu einer unschätzbaren technischen Keramik entwickelt.

Härte

Siliziumkarbid (SiC), auch bekannt als Korund /krbndm/, ist eine außerordentlich harte kristalline chemische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff mit den Eigenschaften eines Halbleiters mit großer Bandlücke. In der Natur kommt es als Mineral Moissanit vor, wird jedoch seit 1893 in Pulverform für den Einsatz als Schleifmittel in großem Maßstab hergestellt. SiC-Körner können durch Sintern auch zu einer harten Keramik verschmolzen werden, die zur Herstellung von Autobremsen und kugelsicheren Westen verwendet wird.

SiC ist eines der härtesten bekannten Materialien; seine Festigkeit beruht auf seiner Kristallstruktur, die aus fest gebundenen Silizium- und Kohlenstoffatomen besteht, die durch starke kovalente Bindungen innerhalb einer Kristallgitterstruktur zusammengehalten werden. Diese Struktur trägt auch zum hohen Schmelzpunkt, zur Wärmeleitfähigkeit und zur chemischen Beständigkeit von SiC bei.

Die Härte von Werkstoffen ist in vielen Anwendungsbereichen von entscheidender Bedeutung, insbesondere dort, wo extrem hohe mechanische Belastungen und Drücke auftreten. In der petrochemischen Industrie, der Verfahrenstechnik, dem Pumpenbau oder dem Schiffbau wirken immense mechanische Belastungen und Drücke, denen Gleitringe und andere tribologische Komponenten, die ständigen Beanspruchungen ausgesetzt sind, standhalten müssen. Daher müssen sicherheitsrelevante Teile eine hohe Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit aufweisen; SiC ist daher in diesen anspruchsvollen Umgebungen ideal geeignet.

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid (SiC) hängt sowohl von seiner Phasenstruktur als auch vom Vorhandensein von Defektstellen ab; da sein Atomradius dem von Diamant ähnelt, weist es eine hohe phononische Wärmeleitfähigkeit auf. Kristalline Strukturen tragen ebenfalls zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit bei, da sie es den in den Gitterstrukturen leichter gestreuten Atomen ermöglichen, Energie abzuleiten.

SiC wird aufgrund seines geringen Neutronenquerschnitts und seiner Beständigkeit gegen Strahlenschäden häufig in Kernreaktoren eingesetzt. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner Langlebigkeit als Material in der modernen Edelsteinschleiferei sehr gefragt.

Zur Herstellung von kubischem SiC wird die chemische Gasphasenabscheidung eingesetzt, bei der eine bestimmte Gasmischung in einer Vakuumumgebung zusammengeführt wird, bevor sie auf das Substrat aufgebracht wird. Nach dem Aufbringen auf eine Oberfläche wird das bei der SiC-Abscheidung entstehende Pulver zu kleineren Partikeln zermahlen, die für verschiedene industrielle Anwendungen geeignet sind.

Turbinenkomponenten aus Keramik gelten aufgrund ihrer hervorragenden thermischen Eigenschaften sowie ihrer Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit als besonders wertvoll. Sie bieten optimale Voraussetzungen für den Einsatz in rauen Umgebungen, während ihre geringe Wärmeausdehnung es ihnen ermöglicht, schnellen Temperaturschwankungen standzuhalten, ohne dass dabei Spannungen entstehen – diese Eigenschaft kann ihre Lebensdauer verlängern und gleichzeitig die Wartungskosten erheblich senken.

Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Reaktionen

Siliziumkarbid ist in Wasser, Alkohol und Säurelösungen unlöslich – ein Beweis dafür, dass es dank seiner chemischen Beständigkeit selbst in aggressiven chemischen Umgebungen standhält und mechanische Systeme schützt, in denen Flüssigkeiten zirkulieren. Diese Eigenschaft macht Siliziumkarbid besonders geeignet für Flüssigkeitssysteme, in denen der Flüssigkeitsstrom weniger robuste Materialien beschädigen könnte.

Carborundum zeichnet sich durch seine einzigartige Beständigkeit gegen Thermoschock aus und weist einen außergewöhnlich niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf – beides wünschenswerte Eigenschaften für strukturelle Anwendungen, die bei hohen Temperaturen oder unter starker Belastung eingesetzt werden. Daher eignet sich Siliziumkarbid hervorragend für Bauteile wie Dichtflächen, Strahldüsen und Gleitlager.

Aufgrund seiner Härte eignet sich Siliziumkarbid zudem hervorragend für mechanisch gebundene feuerfeste Keramiken, da es mit 9 den höchsten Härtegrad auf der Mohs-Skala aufweist (zwischen Borcarbid und Diamant). Bei der Verwendung als Schleifmittel oder als hartes feuerfestes Material wird es gemeinhin als “Schleifmittel” bezeichnet.”

Siliziumkarbid kann je nach Endanwendung auf vielfältige Weise hergestellt werden. Bei der Herstellung von reaktionsgebundenem SiC wird SiC-Pulver vor dem Brennen mit Kohlenstoff- oder Siliziummetallpulver sowie einem organischen Bindemittel wie Kunststoff oder Pech gemischt, wobei häufig Kunststoff oder Pech als Bindemittel dienen. Einkristall-SiC-Bulen können auch mittels chemischer Gasphasenabscheidung gezüchtet und anschließend für den Einsatz in Festkörperbauelementen in Scheiben geschnitten werden. Es ist auch tongebundenes SiC erhältlich, bei dem 10-50%-Tongebundes Pulver verwendet wird, um Verdampfung oder Kondensation während des Sinterns zu verhindern, was zu präzisen, porenfreien Keramiken mit außergewöhnlicher chemischer Beständigkeit und hervorragenden Temperatureigenschaften führt. Alle Herstellungsverfahren führen zu porenfreien Präzisionskeramiken mit außergewöhnlicher chemischer Beständigkeit und hervorragenden Hochtemperatureigenschaften.

Elektrische Leitfähigkeit

Dank seiner großen Bandlücke kann Siliziumkarbid Strom bei hohen Frequenzen leiten, was es zum idealen Material für die Herstellung von Halbleiterbauelementen macht, die hohen Spannungen und Temperaturen standhalten. Aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften und seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Siliziumkarbid bei der Herstellung elektronischer Schaltungen oft anderen Materialien vorgezogen.

Das Material kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Bei einem Verfahren wird es zu einem feinen Pulver gemahlen, das anschließend mittels Reaktionsbindungstechniken reaktiv an Materialien wie Glas oder Metalle gebunden und danach durch Zugabe von Borcarbid verdichtet wird. Darüber hinaus kann dieses Material in Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen verwendet werden.

Dank seiner extremen Härte eignet sich ABS-Kunststoff für den Einsatz in Produkten wie Bremsbelägen oder elektrischen Kontakten, während sein geringer Wärmeausdehnungskoeffizient, seine chemische Inertheit und seine hohe Zugfestigkeit ihn korrosionsbeständig und umweltfreundlich machen. Darüber hinaus ermöglicht seine Verschleißfestigkeit den Herstellern von ballistischer Schutzausrüstung einen effektiven Einsatz dieses Materials.

Poröses Siliziumkarbid zeichnet sich durch hohe chemische Beständigkeit und hervorragende Durchlässigkeit aus und stößt daher auf großes Interesse für fortschrittliche funktionale Anwendungen in Bereichen wie thermische25–27 und elektrische28–30 Eigenschaften. Leider steigt sein elektrischer spezifischer Widerstand mit der Porosität an, was jedoch durch Additive oder Prozessbedingungen gemildert werden kann – so führt beispielsweise das Sintern in N₂ zu einem niedrigeren elektrischen spezifischen Widerstand als in Ar, da sich die kubische (3C) Phase in die hexagonale (6H) Phase umwandelt und SiC mit N dotiert wird.