Verwendung von Siliziumkarbid

Siliciumcarbid, gemeinhin als Karborund /karb@rndu/ bezeichnet, ist eine extrem harte synthetische kristalline Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff, die seit langem als abrasives und verschleißfestes Material in verschiedenen Bereichen wie Feuerfestmaterial und Keramik, bei der Herstellung verschleißfester Teile, bei der Herstellung von Leuchtdioden und als Halbleitersubstrat für Leuchtdioden (LED) verwendet wird. Seit dem späten 19. Jahrhundert dient es auch als Halbleitersubstrat für Leuchtdioden (LED).

Auch Leistungselektronik, die bei hohen Temperaturen und Spannungen arbeitet, ist auf dieses Material angewiesen, um zuverlässig zu funktionieren.

Hochleistungs-Bremsscheiben

Siliziumkarbid (SiC), das seit 1891 gemeinhin als Karborund bezeichnet wird, wird seit seiner Entdeckung und Massenproduktion in großem Umfang hergestellt. Es wird in erster Linie für Anwendungen verwendet, die eine extreme Haltbarkeit erfordern, wie z. B. Automobilbremsen und -kupplungen sowie kugelsichere Westen, die Keramikplatten aus dieser Verbindung enthalten, die auf der Mohs-Härteskala den Wert 9 erreichen - der zweithöchste Wert nach Diamant unter den natürlichen Substanzen.

SiC lässt sich relativ leicht bearbeiten und herstellen, was es zu einer beliebten Wahl für Bauteile macht, die mit hohen Temperaturen in Berührung kommen, wie z. B. Bremsscheiben. Da ihre Reibungsflächen Temperaturen erreichen können, die Stahl zum Schmelzen bringen oder andere Materialien beschädigen würden, werden in vielen Bremssystemen belüftete Scheiben mit mehreren Löchern oder Schlitzen verwendet, um die bei der Erhitzung der Reibungsfläche entstehenden Gase abzuleiten.

SiC wird von verschiedenen Herstellern zur Verwendung in der Schleifmittel-, Metallurgie- und Feuerfestindustrie hergestellt. Edward Acheson leistete bereits 1891 Pionierarbeit bei der Entwicklung einer effizienten Methode zur Herstellung dieses Materials: Wenn reiner Quarzsand mit gemahlenem Kokskohlenstoff in einen elektrisch beheizten Ofen gegeben und dann mit elektrischem Strom durchströmt wird, kommt es zu chemischen Reaktionen, bei denen kleine SiC-Kristalle entstehen, die für die kommerzielle Nutzung zu Pulver gemahlen werden.

Kugelsichere Rüstung

Siliciumcarbid (SiC) ist eine ultraharte, synthetisch hergestellte kristalline Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff, die auf der Mohs-Skala nur von Borkarbid und Diamant an Härte übertroffen wird. Seit dem späten 19. Jahrhundert wird es aufgrund seiner Härte und anderer wünschenswerter Eigenschaften in verschleißfesten Komponenten wie Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen und Schleifpapier verwendet. Außerdem ist es Bestandteil von feuerfesten Materialien, Keramik und sogar Halbleitersubstraten für Leuchtdioden (LED).

Edward Acheson stellte Moissanit erstmals um 1891 künstlich her, als er beim Erhitzen von Kohlenstoff-Tonerde-Gemischen unerwartet kleine schwarze Kristalle entdeckte, was ihn zur Entwicklung des Acheson-Verfahrens und zur kommerziellen Herstellung veranlasste. Sein natürliches Gegenstück ist nur in Meteoriten oder bestimmten feuerfesten Materialien zu finden.

SiC besteht aus eng gepackten Schichten, die über kovalente Bindungen miteinander verbunden sind. Jede dieser Schichten enthält zwei primäre Koordinationstetraeder, die aus vier Silizium- und vier Kohlenstoffatomen bestehen und in unterschiedlichen Anordnungen verschiedene Polytypen von SiC bilden; diese Strukturen bieten extreme Härte mit individuellen physikalischen Eigenschaften, die erheblich variieren.

SiC ist aufgrund seiner Kombination aus Festigkeit, Steifigkeit, Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmeausdehnung ein idealer Werkstoff für Bauteile, die extremen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt sind, wie z. B. Pumpenlager, Ventile, Sandstrahleinspritzdüsen, Wellendichtungen bei hohen Drehzahlen sowie Spiegel in großen astronomischen Teleskopen. Aufgrund dieser Eigenschaften wird es häufig in technischen Anwendungen eingesetzt, die Komponenten mit diesen Eigenschaften erfordern, wie z. B. Pumpenlager, Ventile, Sandstrahleinspritzdüsen und Wellendichtungen bei hohen Drehzahlen.

Halbleiter-Materialien

Siliziumkarbid erfreut sich aufgrund der gestiegenen Nachfrage in der Leistungselektronik einer außerordentlich großen Beliebtheit. Seine Kombination physikalischer und elektronischer Eigenschaften macht es ideal für die Erzeugung höherer elektrischer Durchbruchsfelder, geringerer Schaltverluste und größerer Energieeffizienz.

Obwohl Siliciumcarbid normalerweise ein Isolator ist, kann es durch Dotierung mit bestimmten Verunreinigungen in einen Halbleiter verwandelt werden. Bei Dotierung mit Aluminium, Bor, Gallium oder Stickstoff (P-Halbleiter) verhält sich Siliciumcarbid wie ein N-Halbleiter; bei Dotierung mit Phosphor verhält es sich wie ein N-Halbleiter. Die Dotierstoffe beeinflussen die Elektronenbeweglichkeit in Bezug auf die Bandstruktur - Elektronen bewegen sich entlang der Leitungsbänder, während Löcher die Valenzbänder durchlaufen.

SiC ist dafür bekannt, dass es eine außergewöhnlich breite Bandlücke aufweist, wodurch es wesentlich höhere elektrische Durchbruchsfelder als herkömmliches Silizium erreichen kann. Dies führt zu geringeren Schaltverlusten und einem geringeren Einsatz von Bauteilen, was eine höhere Energieeffizienz zur Folge hat. Dies ist besonders wertvoll für Stromumwandlungssysteme in Elektrofahrzeugen, die höheren Spannungen und Temperaturen standhalten müssen.

Siliciumcarbid kann auch in Verbundwerkstoffen wie kohlenstofffaserverstärktem Siliciumcarbid (CFRC) verwendet werden, um starke und dennoch leichte Strukturen zu schaffen, die extremen Temperaturen und Belastungen standhalten, wie sie beispielsweise beim Bremsen auftreten. Darüber hinaus dient Siliziumkarbid als Bestandteil von kugelsicheren Panzern wie dem Chobham-Panzer, da es Einschlägen mit hoher Geschwindigkeit standhalten kann.

Energiespeicherung

Siliciumcarbid (SiC), gemeinhin als Karborund bezeichnet, ist ein extrem starkes und scharfes Material mit der höchsten Zugfestigkeit unter allen natürlichen Materialien. SiC kristallisiert in dicht gepackten kovalenten Bindungen aus 4 Silizium- und 4 Kohlenstoffatomen und ist sehr widerstandsfähig gegen anorganische Säuren, Salze und Laugen, während es gleichzeitig eine der höchsten Zugfestigkeiten aufweist, die heute verfügbar sind.

Moissanit, das in der Natur in Form des seltenen Minerals Moissanit vorkommt, wird seit 1907 als Pulver in Massenproduktion hergestellt und für verschiedene Zwecke verwendet, z. B. als Schleifmittel für Schleifscheiben und für harte keramische Anwendungen wie Autobremsen und -kupplungen sowie für kugelsichere Keramikplatten für Westen. Seit 1907 wird es auch in elektronischen Anwendungen wie Leuchtdioden (LED) und Detektoren eingesetzt.

Reines SiC ist ein elektrischer Isolator. Durch die Zugabe von Dotierstoffen wie Stickstoff und Phosphor als Dotierstoffe (Dotierstoffe werden verwendet, um die Materialeigenschaften zu verändern) kann sich SiC jedoch wie ein Halbleiter verhalten und Leistungselektronikgeräten dabei helfen, effizient zwischen leitenden und nichtleitenden Zuständen zu wechseln, um Strom effizient zu erzeugen oder zu verbrauchen.

SiC-Halbleiter bieten im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Halbleitern erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Spannungs- und Stromverluste, thermische Effizienz und Größen-/Gewichtsreduzierung im Vergleich zu ihren Silizium-Gegenstücken. Daher eignet sich SiC ideal für den Einsatz in Wechselrichtern und Gleichspannungswandlern in Elektrofahrzeugen, um das schnelle Aufladen mit Gleichstrom zu erleichtern und gleichzeitig die Größe und das Gewicht wesentlicher leistungselektronischer Komponenten zu reduzieren. SiC kann sogar bei höheren Temperaturen/Frequenzen arbeiten als herkömmliche Halbleiter!