Siliziumkarbid-Verbindung

Siliziumkarbid-Schleifmittel sind zu einem unverzichtbaren Bestandteil des modernen Lapidariums geworden. Darüber hinaus wird diese langlebige Substanz in großem Umfang für Fertigungsanwendungen und andere industrielle Aufgaben verwendet.

Bei kugelsicheren Panzerungen werden Keramikblöcke aus Keramik verwendet, um harte Keramikblöcke zu schaffen, die von Kugeln nicht durchdrungen werden können.

Siliciumcarbid kommt in verschiedenen polymorphen Formen vor, wobei Alpha-Siliciumcarbid (a-SiC) mit seiner hexagonalen Kristallstruktur, die der des Wurtzits ähnelt, und Beta-Siliciumcarbid mit seiner Zinkblende-Struktur am weitesten verbreitet sind.

Härte

Siliziumkarbid zeichnet sich durch außergewöhnliche Härte, Abriebfestigkeit, chemische Beständigkeit und Temperaturtoleranz aus und ist damit das ideale Material für Anwendungen, die sowohl eine hohe mechanische Festigkeit als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit erfordern. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit in zahlreichen industriellen Bereichen unverzichtbar.

Die Härte von Siliciumcarbid kann durch Dotierung, Legierung und Oberflächenbehandlungstechniken erhöht werden, z. B. durch Dotierung von Mischkristallen mit Ammoniumchlorid (SSD) in Mischkristalldotierungssystemen; Mischkristalldotierung mit festen Lösungen von dotiertem Ammoniumchlorid (Ionenimplantate); chemische Gasphasenabscheidung. Beschichtungen oder Plattierungen können die Härte weiter erhöhen und gleichzeitig die Verschleißrate senken und die Schmierung verbessern.

Kristallines Siliciumcarbid kommt in der Natur als Mineral Moissanit vor und wird in verschiedenen Qualitäten mit unterschiedlicher Härte, chemischer Stabilität und physikalischen Eigenschaften synthetisch hergestellt. Es wird zum Schleifen von Werkstoffen mit geringer Zugfestigkeit als Schleifmittel, für Schneidewerkzeuge und als Teil der feuerfesten Auskleidung von Industrieöfen sowie als Heizelement in Raketentriebwerken und Pumpen und als Halbleitersubstrat für Leuchtdioden (LED) verwendet.

Hochdichtes Siliciumcarbid wird durch Reaktionsbindung von SiC-Körnern mit Silicium hergestellt, wodurch eine undurchlässige Struktur entsteht, die für Sauerstoff undurchlässig ist und im Vergleich zu anderen Hochleistungskeramiken eine größere elektronische Bandlücke erzeugt. Es gibt verschiedene Qualitäten von reaktionsgebundenem Siliciumcarbid, deren Härte durch Korngröße und Zusammensetzung bestimmt wird.

Wärmeleitfähigkeit

Siliciumcarbid ist in reinem Zustand ein hervorragender Wärmeleiter; wenn es jedoch durch Schmelz- oder Mischprozesse Verunreinigungen ausgesetzt wird, verschlechtert sich seine Wärmeleitfähigkeit und Haltbarkeit erheblich. Die Reinheit bestimmt sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Haltbarkeit von Siliciumcarbid.

Siliziumkarbid zeichnet sich durch hohe Feuerfestigkeit und extreme Härte aus, was es zu einem hervorragenden Material für Schneid- und Schleifanwendungen macht. Darüber hinaus zeichnet sich diese chemikalienbeständige Verbindung durch eine hervorragende chemische Beständigkeit und einen extrem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aus, was sie zu einem beliebten Werkstoff für Komponenten in chemischen Anlagen oder Umgebungen macht, die eine Beständigkeit gegen Säuren oder Laugen erfordern. Aufgrund seines niedrigen Ausdehnungskoeffizienten eignet er sich auch hervorragend als Werkstoff für Gleitringdichtungen in Pumpen, Kompressoren und anderen Industriemaschinen.

Siliciumcarbid gibt es in über 215 kristallinen Formen; dieses Phänomen ist als Polymorphismus bekannt. Besonders hervorzuheben sind die hexagonalen 4H- und die kubischen 3C-Formen. Sie weisen dreidimensionale Variationen mit verschiedenen Schichten auf, die innerhalb ihrer Struktur aufeinander folgen.

Reaktionsgebundenes Siliciumcarbid wurde erstmals 1893 von Acheson als Schleifmittel kommerziell hergestellt. Zu seiner Herstellung wird SiC-Pulver mit pulverisiertem Kohlenstoff und Weichmacher gemischt und in die gewünschte Form gebracht, bevor es zum Brennen geformt und mit gasförmigem Silizium oder flüssigem Kohlenstoff infundiert wird, um weitere SiC-Kristalle zu bilden, die dann zerkleinert, gemahlen, geschliffen oder in verschiedene Größen gesiebt werden können, um verschiedenen Anwendungen zu entsprechen.

Dauerhaftigkeit

Siliziumkarbid (SiC) ist aufgrund seiner Langlebigkeit vielseitig einsetzbar. Als hartes Material, das gegen Korrosion, hohe Temperaturen und mechanische Beschädigungen resistent ist, eignet sich SiC hervorragend für Produkte wie Bremsen/Kupplungen/Kupplungsauslöser für Kraftfahrzeuge und kugelsichere Westen; SiC hält auch extremen Temperaturen stand, wie z. B. Leistungshalbleiter.

Edward Acheson machte 1891 Schlagzeilen, als er in einem elektrisch erhitzten Schmelztiegel aus Kohlenstoff und Tonerde schwarze Kristalle aus SiC entdeckte. Er entwickelte eine Methode zur kommerziellen Herstellung von SiC, das sich schnell als industrielles Schleifmittel durchsetzte. Darüber hinaus wird SiC auch als integraler Bestandteil von keramischen Brems- und Kupplungskomponenten in Automobilen verwendet.

Reine SiC-Kristalle kommen in der Natur in Form des seltenen Minerals Moissanit vor, wobei der Großteil der kommerziellen Produktion in Form von Pulver und Granulat erfolgt, die im Acheson-Verfahren hergestellt werden. SiC ist sehr dicht mit einem extrem niedrigen Schmelzpunkt von 2.730 Grad Celsius und bietet eine außergewöhnliche chemische Stabilität - es widersteht der Korrosion durch die meisten Säuren, ohne Schaden zu nehmen.

SiC hat in Tierversuchen nur wenige toxische Wirkungen und ist in geschmolzenen Alkalien und Eisen leicht löslich. Arbeitnehmer, die häufig Karborund-Schleifmittel herstellen oder verwenden, laufen jedoch Gefahr, eine Lungenfibrose zu entwickeln, die der Silikose ähnelt, während die Exposition gegenüber seinem Staub auch das Lungenkrebsrisiko erhöht.

Anwendungen

Siliziumkarbid kommt in der Natur in Form des Minerals Moissanit vor, wird aber seit 1893 in Massenproduktion als Schleifmittel hergestellt. Dieses extrem harte Material wird in Schleifscheiben und anderen abrasiven Bearbeitungsanwendungen verwendet, die Zähigkeit und Haltbarkeit erfordern; außerdem ist es ein Bestandteil in der Keramik- und Glasherstellung zum Läppen und Polieren, um präzise Abmessungen und Oberflächen zu erzielen.

Siliziumkarbid ist ein wesentlicher Werkstoff in Elektronik- und Halbleitergeräten, die in rauen Umgebungen bei hohen Temperaturen oder Spannungen eingesetzt werden. Dazu gehört auch Elektronik, die Hitze, Vibrationen und chemischen Angriffen standhalten kann, sowie Gleitringdichtungsanwendungen in anspruchsvollen Umgebungen, zu denen auch hochkorrosive Bedingungen gehören. Gleitringdichtungen aus Siliziumkarbid sind unter diesen rauen Bedingungen zuverlässiger als andere Werkstoffe und bieten eine zuverlässige Leistung unter verschiedenen Bedingungen, darunter auch unter sehr anspruchsvollen Bedingungen wie Pumpen- und Kompressoranwendungen.

SiC ist in der Regel ein elektrischer Isolator; mit kontrollierten Zusätzen von Verunreinigungen kann es sich jedoch wie ein Halbleiter verhalten. Die Dotierung mit Aluminium, Bor, Gallium und Gallium führt zu P-Halbleitern, während die Dotierung mit Verunreinigungen wie Phosphor und Stickstoff zu N-Halbleitern führt, so dass elektronische Geräte mit zehnmal höheren Schaltfrequenzen als bei herkömmlichen Siliziumgeräten hergestellt werden können.

Die hervorragenden thermischen und mechanischen Eigenschaften von Siliziumkarbid machen es zu einem unverzichtbaren Material für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen, da es zur Verbesserung der Energieumwandlungssysteme in Elektromotoren beiträgt und gleichzeitig deren Größe und Komplexität verringert.