Siliziumkarbid in Rohform und Siliziumkarbid

Rohres Siliziumkarbid (allgemein als „schwarzes SiC“ bezeichnet) ist ein außerordentlich hartes, synthetisch hergestelltes kristallines Material, das seit dem späten 19. Jahrhundert in Schleifscheiben, Schleifpapier und Schneidwerkzeugen zum Einsatz kommt. Dank seiner Festigkeit, seiner geringen Wärmeausdehnung und seiner Beständigkeit gegen chemische Einflüsse wird es zudem häufig als feuerfester Werkstoff in Industrieöfen sowie für verschleißfeste Bauteile wie Pumpendichtungen, Gewindeführungen und Säuresprühdüsen eingesetzt.

Chemische Zusammensetzung

Siliziumkarbid ist ein synthetischer Werkstoff mit einer unvergleichlichen Härte – der nur von Diamant und einigen synthetischen Werkstoffen übertroffen wird –, hoher Verschleißfestigkeit, chemischer Inertheit, elektrischer Leitfähigkeit bei erhöhten Temperaturen und Stoßfestigkeit. Siliziumkarbid kann zudem mit Stickstoff, Phosphor und Beryllium dotiert werden, um n-Typ-Halbleiter zu bilden, während eine Dotierung mit Bor, Aluminium, Gallium und Zinn zur Bildung von p-Typ-Halbleitern führt.

Durch Erhitzen von Quarzsand mit Kohlenstoff (in der Regel Petrolkoks) bei hohen Temperaturen in einem offenen “Acheson”-Ofen entsteht Silikagel. Dabei bilden sich je nach Reinheit der verwendeten Rohstoffe grüne und schwarze Kristallkörner.

Diese Körner werden gemahlen und nach verschiedenen Korngrößen gesiebt, die den jeweiligen Verwendungszwecken entsprechen, wobei eine geringe Porosität für verbesserte physikalische Eigenschaften des Materials sorgt.

Schwarzes und grünes Siliziumkarbid, die beide zur a-SiC-Gruppe gehören, sind die beiden am häufigsten verwendeten Grundvarianten von Siliziumkarbid. Schwarzes Siliziumkarbid wird typischerweise zur Bearbeitung von Werkstoffen mit geringer Zugfestigkeit wie Glas, Keramik, Stein, feuerfesten Materialien und Gusseisen verwendet, während grünes Siliziumkarbid häufig zum Schneiden oder Schleifen von abrasiven Werkstoffen wie Stein eingesetzt wird. Beide Sorten zeichnen sich durch eine hohe Zähigkeit aus, wobei schwarzes Siliziumkarbid im Vergleich zu seinem Gegenstück eine höhere Härte aufweist.

Physikalische Eigenschaften

Siliziumkarbid, eine extrem harte und synthetisch hergestellte kristalline Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, wird in vielen verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, beispielsweise bei Schleifmitteln, feuerfesten Materialien und verschleißfesten Bauteilen in mechanischen Anwendungen. Als elektrischer Halbleiterwerkstoff kann es zudem mit Stickstoff, Phosphor und Beryllium dotiert werden, um entweder einen n-Halbleiter zu bilden, oder mit Aluminium, Bor und Gallium dotiert werden, um einen p-Halbleiter zu bilden.

Das für die SiC-Herstellung verwendete Rohmaterial besteht aus einer Mischung aus Kohle (in der Regel Petrolkoks) und Quarzsand, die bei hohen Temperaturen in einem elektrischen Widerstandsofen chemisch zur Reaktion gebracht wird, um rohes Siliziumkarbid zu bilden. Nach der Bildung muss dieses grobe Siliziumkarbid zerkleinert und gemahlen werden, um die gewünschten Korngrößen zu erreichen, bevor es mit unterschiedlichen Mengen an Bor zu komplexeren Formen von Bor-Karbiden wie B₃N₆ umgesetzt wird.

Die Reaktivität lässt sich durch Faktoren wie die Konzentration der Reaktanten, die Temperatur, die Zufuhrzeit und die Verweilzeit im Ofen steuern; das Ergebnis sind Produkte mit variablen Eigenschaften, die vom Polykristalltyp, dem Herstellungsverfahren und dem Reinheitsgrad abhängen.

Siliziumkarbid zeichnet sich durch hervorragende physikalische Eigenschaften aus; es weist eine geringe Sprödigkeit auf, was ihm bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit verleiht. Darüber hinaus ist es chemisch inert und zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Erosions- und Verschleißfestigkeit sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aus, was es zu einer hervorragenden Materialwahl für feuerfeste Auskleidungen macht.

Mechanische Eigenschaften

Siliziumkarbid ist mit einer Mohs-Härte von 9 eines der härtesten Materialien der Welt. Es ist äußerst langlebig und korrosionsbeständig sowie thermoschockbeständig und behält seine Festigkeit auch bei hohen Temperaturen bei, wodurch es sich perfekt für industrielle Anwendungen eignet. Dank dieser Eigenschaften lässt sich Siliziumkarbid auf vielfältige Weise einsetzen.

Bei der Herstellung von schwarzem oder grünem Siliziumkarbid wird ein Gemisch aus reinem Quarzsand und Kohlenstoff in Form von gemahlenem Koks in einem elektrischen Widerstandsofen erhitzt, wobei ein durch den Leiter fließender elektrischer Strom chemische Reaktionen auslöst, bei denen Siliziumdioxidgas und Kohlenmonoxid entstehen, wodurch schwarzes oder grünes Siliziumkarbid entsteht, das später weiterverarbeitet werden kann, um spezifische mechanische Anforderungen für bestimmte Anwendungszwecke zu erfüllen.

Im Allgemeinen ist sorgfältig sortiertes RBSC dicht und porenfrei. Die Bruchfläche von RBSC weist glatte Korngrenzen auf, was auf einen intergranularen Bruch hindeutet, während Proben mit 10 Gewichtsprozent Kohlenstoff eher einen transgranularen Bruch zeigen, bei dem die Energie aus dem Riss schneller abfließt, was zu schlechten mechanischen Eigenschaften führen kann.

RBSC mit niedrigem c-Si-Gehalt weist hervorragende mechanische Eigenschaften auf. Es zeichnet sich durch hohe Zug- und Biegefestigkeit, gute Zähigkeit und einen geringen Elastizitätsmodul aus; außerdem weist es eine gute Säure-, Laugen- und Chemikalienbeständigkeit sowie außergewöhnliche Verschleißfestigkeit auf. Es findet breite Anwendung in Produkten wie Schleifscheiben, Nassschleifscheiben und Bürsten sowie in Schneidwerkzeugen und Verschleißteilen, die in der Metallurgie, im Bergbau, bei feuerfesten Materialien und in anderen Industriezweigen zum Einsatz kommen.

Elektrische Eigenschaften

Siliziumkarbid (SiC) ist ein anorganischer Werkstoff, der aus Silizium und Kohlenstoff besteht und die chemische Formel SiC aufweist. Siliziumkarbid wird seit dem späten 19. Jahrhundert kommerziell für den Einsatz in Schleifmitteln und feuerfesten Materialien hergestellt und hat sich als extrem harter Werkstoff bewährt, dessen Härte nur von der des Diamanten übertroffen wird. Darüber hinaus bietet dieser inerte Werkstoff hervorragende thermische Eigenschaften und weist eine gute Korrosionsbeständigkeit auf.

Siliziumkarbid zeichnet sich durch seine einzigartige Kristallstruktur aus: Es besteht aus fest gebundenen Silizium- und Kohlenstoffatomen, die in Tetraederstrukturen in einem Tiegelgitter angeordnet sind. Darüber hinaus ist dieses Material in Wasser, Alkohol und Säuren unlöslich und weist einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf, wodurch es sich perfekt für Bauteile eignet, die in rauen chemischen Umgebungen eingesetzt werden sollen.

Siliziumkarbid findet über seine Eigenschaften als Schleifmittel hinaus vielfältige Anwendungen. Es ist nicht nur langlebig, sondern verfügt auch über Halbleitereigenschaften. In dotierter Form weist Siliziumkarbid eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit sowie weitere Eigenschaften auf, die seine elektrischen und sonstigen Merkmale optimieren. Siliziumkarbid zeichnet sich durch Halbleitereigenschaften mit großer Bandlücke, einer hohen Durchbruchfeldstärke, einer hohen Elektronendriftgeschwindigkeit und einer geringen Dielektrizitätskonstante aus, was es zu einem attraktiven Werkstoff für zukünftige Anwendungen in der Elektronik macht.

Rohes Siliziumkarbid gibt es je nach Zusammensetzung des Ausgangsmaterials sowohl in schwarzer als auch in grüner Form. Es wird hergestellt, indem eine Mischung aus Quarzsand und Kohle in einem elektrischen Widerstandsofen erhitzt wird, wobei elektrischer Strom durch einen Kohlenstoffleiter geleitet wird. Nach dem Abkühlen kann das Material zu Pulver gemahlen und mit Verbindungen wie Wolframkarbid oder Borcarbid gemischt werden, um Keramikprodukte wie industrielle Schleifmittel oder feuerfeste Auskleidungen, verschleißfeste Teile für Pumpen und Raketentriebwerke oder verschleißfeste Bauteile herzustellen.