Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbid

Siliciumcarbid wird aufgrund seiner hervorragenden Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Aus diesem Material können verschiedene Produkte hergestellt werden, z. B. Schleifmittel, beschichtete Schleifmittel, Schleifscheiben, Läppwerkzeuge, Läppfolienisolierung und sogar metallurgische und feuerfeste Anwendungen.

Siliciumcarbid wird am häufigsten nach dem Acheson-Verfahren hergestellt. Dabei wird ein Gemisch aus Quarzsand und Kohlenstoff in Koks bei hohen Temperaturen erhitzt, bis chemische Reaktionen stattfinden, bei denen reine Siliciumcarbidkristalle entstehen.

Acheson-Prozess

Das Acheson-Verfahren wird in großem Umfang kommerziell zur Herstellung von Siliciumcarbid eingesetzt. Bei diesem energiereichen Verfahren wird Siliziumdioxid mit Petrolkoks gemischt und bei hohen Temperaturen erhitzt, bevor es zur Verarbeitung in einen Elektroofen geleitet wird. Um dieses komplexe Verfahren besser zu verstehen, wurde ein Stoffübertragungsmodell erstellt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Siliziumkarbidbildung überwiegend durch Feststoff-Gas-Reaktionen und nicht wie bisher angenommen durch Flüssigphasenreaktionen gesteuert wird.

Wie bei einem normalen Acheson-Ofen wird das Gemisch zusammen mit einem Kohlenstoff- oder Graphitwiderstand 14, der aus Koks und Feuersand aus früheren Läufen besteht, in einen Ofen gepackt. Dieser Widerstand wird mit elektrischer Energie versorgt, um in der Reaktionsmasse eine Hochspannung zu erzeugen, während die Temperaturen im gesamten Ofen und in der Nähe der an den Seiten des Ofens angebrachten Graphitplatten überwacht werden.

Siliziumkarbid (SiC), ein energieintensives und sehr energieaufwendiges Verfahren, wurde kürzlich durch zwei darauf basierende Prozesse revolutioniert: Das Acheson-Verfahren und das Lely-Verfahren. Während Acheson durch Sublimation grobkörnige SiC-Kristalle erzeugt, synthetisiert Lely feineres kristallines Material.

Lely Prozess

Das Lely-Verfahren ist eine alternative Methode zur Herstellung von Siliziumkarbid, bei der sich eine chemische Mischung in einer geschlossenen Vakuumumgebung verbindet, bevor sie auf ein Substrat aufgebracht wird. Dieses Verfahren erfordert einen enormen Aufwand an Energie, Ausrüstung und Know-how - ganz zu schweigen von der Zeit - und ist nur mit großer Präzision möglich.

Die Hersteller verwenden das modifizierte Lely-Verfahren zur Herstellung großer Einkristalle aus SiC für die Elektronikfertigung und nutzen es als Rohmaterial für gehärtete oberflächenmontierbare Bauteile (HMD). Solche Materialien müssen hart, haltbar und elektrisch leitfähig sein - Eigenschaften, die SiC dank seiner kristallinen Struktur erfüllen kann. Darüber hinaus verfügt SiC über einzigartige Eigenschaften, die sonst nirgendwo zu finden sind, wie z. B. seine unvergleichliche Härte und chemische Beständigkeit gegen Laugen und Säuren.

Eine gängige Abwandlung des Lely-Verfahrens verwendet einen Graphittiegel, der mit Induktionsspulen zum Erhitzen ausgestattet ist. Nach dem Erhitzen wird dieses Gefäß mit einer dünnen Schicht Siliziumkarbid ausgekleidet, um zu verhindern, dass Verunreinigungen aus dem Sublimationsraum entweichen. Die Kristalle können dann zur Bildung von Barren verwendet werden, die dann genau sortiert und für verschiedene Anwendungen weiterverarbeitet werden können.

In Beispiel 1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Blöcke stickstoffhaltigen Gasströmen ausgesetzt werden, um Produkte mit hoher n-Leitfähigkeit herzustellen, die Bauteile ermöglichen, die unter extremen Bedingungen funktionieren, wie sie beispielsweise in Düsentriebwerken und Raketendüsen erforderlich sind.

Reaktion Bindung

Das Reaktionskleben ist eine der ältesten Methoden zur Herstellung von Siliciumcarbidkeramik. Bei dieser Technik werden grobes Siliciumcarbid, Ton, Weichmacher und andere Materialien zu einer formbaren Paste vermischt, die dann erhitzt werden kann, um die Materialien miteinander zu verschmelzen, bevor sie beim Abkühlen zu einer festen Form gehärtet wird. Das Reaktionskleben war eine der frühesten Methoden zur Herstellung von Siliciumcarbid.

Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von reaktionsgebundenem Siliziumdioxid, das sich durch eine höhere Verschleißfestigkeit und Bruchzähigkeit auszeichnet als andere Formen von Siliziumkarbid. Darüber hinaus eignet es sich aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit und geringen Wärmeausdehnung für den Einsatz in elektrischen Bauteilen wie Leistungstransistoren und Dioden.

Wissenschaftler haben eine neue Verarbeitungsmethode entwickelt, um die Leistung von reaktionsgebundenem Siliziumdioxid zu verbessern, indem sie es bei niedrigeren Temperaturen binden. Dadurch verringert sich die Menge an freiem Silizium, das die Materialien erodieren und abnutzen und die Verschleißrate erhöhen könnte.

Reaktionsgebundenes Siliciumcarbid (RBSC) ist aufgrund seiner Hitze-, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit vielseitig einsetzbar. Dank seiner ausgezeichneten Temperaturwechselbeständigkeit wird es häufig für Brennhilfsmittel verwendet; außerdem kann es zu keramischen Komponenten für Hochtemperaturanwendungen wie Dichtungen oder Schaufeln verarbeitet werden; außerdem ist es aufgrund seines hohen Schmelzpunkts ideal für Schmelzexperimente mit Tiegeln.

Keramik

Gesinterte Siliciumcarbidkeramik in fester Phase ist eine der härtesten und haltbarsten Feinkeramiken, die ihre Festigkeit bis zu 1400 Grad Celsius beibehält, ohne an Festigkeit zu verlieren oder sich nennenswert auszudehnen oder zusammenzuziehen - ideal für hitzebeständige Anwendungen wie Brennerdüsen, Strahl- und Flammrohre in chemischen Verarbeitungsanlagen sowie allgemeine industrielle Maschinenkomponenten. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner Korrosions- und Abriebfestigkeit hoch korrosionsbeständig und verfügt über geringe Ausdehnungs- und Halbleitungseigenschaften, was es für feuerfeste Anwendungen wie Brennerdüsen, Strahlrohre in chemischen Verarbeitungsanlagen sowie allgemeine industrielle Maschinenkomponenten im gesamten Maschinenbau geeignet macht.

SiC ist weithin bekannt für seine hohe Härte und chemische Stabilität, was es zu einem hervorragenden Rohstoff für die Herstellung von Schleifmitteln macht. SiC dient als Basismaterial für Schleifmittel auf Unterlage und zum Freischleifen von Glas, Keramik, Stein, Gusseisen, Nichteisenmetallen und Nichteisenmetallen wie Aluminium. Auch bei feuerfesten Materialien kommt SiC zum Einsatz, z. B. bei Schuppenplatten, die in Brennöfen für keramische Erzeugnisse verwendet werden, bei kieselsäurebeschichteten Ofenauskleidungen und bei Tiegeln für Aluminium-Elektrolysezellen.

Die Reaktionsbindung ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidkeramik, die in der Schleifmittel-, Metallurgie- und Feuerfestindustrie verwendet wird. Eine Mischung aus grobem Sand, Siliziumpulver und Weichmachern wird in einem elektrischen Widerstandsofen erhitzt, bis der Kohlenstoff aus dem Koks mit dem Siliziumdioxid reagiert und Siliziumkarbid und Kohlenmonoxidgas bildet.

Aufgrund seiner hohen Dichte und Druckfestigkeit bietet der ballistische Schutz aus Polycarbonat im Verhältnis zu seinem Gewicht einen höheren ballistischen Widerstand als Lösungen aus Stahl oder Aluminium.