Wie wird Siliziumkarbid hergestellt?

Siliciumcarbid (SiC) ist eine harte chemische Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff, die in der Natur in Form von Moissanit-Edelsteinen vorkommt und in großem Maßstab zur Verwendung in Schleifmitteln, metallurgischen Anwendungen und feuerfesten Materialien hergestellt wird.

SiC eignet sich ideal für Schamottesteine und andere feuerfeste Produkte, da es hochtemperatur- und thermoschockbeständig ist, halbleitend und aufgrund seiner atomaren Struktur hitzebeständig.

Chemische Reaktionen

Siliciumcarbid, besser bekannt als Karborund oder SiC, ist ein keramisches Material mit sowohl strukturellen als auch halbleitenden Eigenschaften. Aufgrund seiner Festigkeit, hohen Temperaturbeständigkeit und chemischen Inertheit selbst bei hohen Temperaturen ist SiC ein ausgezeichnetes Material für Schleifmittel, Metallurgie und Feuerfestanwendungen. Darüber hinaus eignet es sich aufgrund seiner halbleiterähnlichen Eigenschaften gut für Hochleistungsgeräte, die bei Temperaturen arbeiten, denen herkömmliche Halbleiter nicht standhalten.

SiC kann mit verschiedenen Produktionsverfahren hergestellt werden, die jeweils unterschiedliche Vorteile für bestimmte Anwendungen bieten. So bietet das Acheson-Verfahren hochfeste, komplexe Formen, das reaktionsgebundene Siliciumcarbidverfahren (RBSC) eine hohe Reinheit und die chemische Gasphasenabscheidung die Möglichkeit, hochreine Beschichtungen zu erzeugen.

Bei der kommerziellen Siliziumkarbidproduktion wird in der Regel ein Elektroofenverfahren mit aschearmen Petrolkoks als Kohlenstoffquelle eingesetzt, bevor das Material zerkleinert und gemahlen wird, bevor es sortiert und chemisch behandelt wird, um bestimmte Leistungsmerkmale zu erfüllen.

Silizium und Kohlenstoff reagieren in Rohstoffen chemisch und bilden Polytypen oder Stapelanordnungen von Elementen, wobei kubisches Siliziumkarbid (a-SiC) mit seiner Mohshärte von 9 zu den bekannteren Polytypen gehört. Zwar können Mineralien dieser Art als Rohstoffquellen abgebaut werden, doch wird es meist durch Kombinationsverfahren hergestellt: Reaktionsbindung und Sintern.

Bei dem reaktionsgebundenen Verfahren wird ein Gemisch aus gemahlenem Quarzsand und Kohlenstoff in Form von Petrolkoks mit niedrigem Aschegehalt kombiniert und um einen elektrischen Widerstandsofen herum durch Reaktionsbindung aufgebaut. Dann wird ein elektrischer Strom durch einen Leiter geleitet, wodurch eine chemische Reaktion ausgelöst wird und ein zylindrischer Block aus a-SiC und b-SiC entsteht; das nicht umgesetzte a-SiC verbleibt auf der Oberfläche des Blocks. Anschließend wird flüssiges Silizium hinzugefügt, das die ursprünglich getrennten Kristalle zu einer kontinuierlichen Struktur aus kubischen SiC-Kristallen verbindet, die für die meisten industriellen Anwendungen geeignet ist.

Heizung

Siliciumcarbid (SiC) ist eine anorganische chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Silicium, die in der Natur in Form des seltenen Minerals Moissanit vorkommt; seit 1893 wird es jedoch auch synthetisch in Pulverform hergestellt und als Schleifmittel verwendet. Siliciumcarbid ist das härteste synthetische Material, das auf der Mohs'schen Härteskala zwischen Aluminiumoxid und Diamant eingestuft wird. Aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit, seiner geringen Wärmeausdehnung und seiner chemischen Inertheit eignet es sich hervorragend für industrielle Feuerfestanwendungen wie Ofensteine.

Die Herstellung von SiC in metallurgischer Qualität erfolgt in der Regel nach dem Acheson-Verfahren, bei dem Rohstoffe wie Quarzsand mit Petrolkoks oder Anthrazitkohle in einem auf etwa 2600 Grad Celsius erhitzten Lichtbogenofen vermischt werden. Bei diesem Erhitzungsprozess wird Siliziumdioxid (SiO2) reduziert und in SiC und andere Verbindungen, die so genannten metallurgischen Silikate, umgewandelt, die später je nach Qualität wieder zu schwarzem oder grünem Siliziumkarbid vermahlen werden.

Die Herstellung von Siliciumcarbid mit dieser Technik ist sehr ergiebig und liefert bis zu 11,3 Tonnen schwarzes Siliciumcarbid pro Ofenfüllung. SiC mit höherem Reinheitsgrad kann jedoch mit teureren Methoden wie dem Lely-Verfahren gewonnen werden.

Siliciumcarbid kommt in verschiedenen Polymorphen oder Formen vor, die jeweils unterschiedliche Merkmale und Eigenschaften aufweisen. So hat Alpha-Siliciumcarbid (a-SiC) eine hexagonale, wurtzitähnliche Kristallstruktur, während beta-modifiziertes b-SiC eine diamantähnliche Zinkblende-Kristallstruktur aufweist.

Unabhängig von seiner Polymorphie weisen alle Formen von Siliciumcarbid eine ähnliche Schichtstruktur auf, bei der Silicium- und Kohlenstoffatome in einer tetraedrischen Konfiguration miteinander verbunden sind. SiC unterscheidet sich von Borkarbid dadurch, dass auf jedes Siliziumatom in seiner Struktur drei Kohlenstoffatome kommen - im Gegensatz zu seiner diamantartigen Struktur, die dem Borkarbid seine überlegenen mechanischen Eigenschaften und seine größere Marktfähigkeit verleiht.

Trocknen

Siliziumkarbid ist ein extrem hartes, kristallines Material mit zahlreichen industriellen Anwendungen. Vor allem wird es aufgrund seiner hohen Festigkeit und Härte häufig als Schleifmittel in Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen und Schleifpapier eingesetzt. Weitere Verwendungszwecke sind elektrische Isolatoren, feuerfeste Materialien und Keramik - aufgrund seiner geringen Wärmeausdehnung ist es das perfekte Material für den Einsatz in Umgebungen mit hohen Temperaturen.

Bei der Herstellung von Siliciumcarbid werden zunächst Rohkieselsäure und Kohlenstoff in einem Elektroofen erhitzt, bis sich ihre Verbindungen zu Siliciumdioxid und Kohlenmonoxidgas verbinden. Anschließend wird das Siliciumcarbid mehrere Tage lang bei Temperaturen zwischen 1.400 und 2.700 Grad Celsius in einer inerten Atmosphäre getrocknet, wodurch Verunreinigungen wirksam entfernt werden und ein nahezu reiner Siliciumcarbidblock zurückbleibt.

Fachkräfte sortieren und klassifizieren diese Barren dann in verschiedene Größen, Formen und chemische Zusammensetzungen, die für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Nach der Sortierung und Klassifizierung durch Fachkräfte kann er dann für die Verwendung in der Schleifmittel-, Metallurgie- und Feuerfestindustrie weiterverarbeitet werden, aber auch als Dotierstoff für Produkte der Halbleiterproduktion, wenn ihm Dotierstoffe zugesetzt werden.

Durch die Zugabe von Dotierstoffen zu einem Barren können mehrere Polytypen mit unterschiedlichen physikalischen und elektrischen Eigenschaften entstehen. Bor und Aluminium machen Silizium zu einem p-Typ-Halbleiter, während Stickstoff und Phosphor einen n-Typ-Halbleiter erzeugen.

Die Herstellung von reinem Siliciumcarbid ist ein komplizierter und sorgfältiger Prozess, bei dem jeder Schritt genau beachtet werden muss. Feuerfeste Materialien, die mit Siliziumkarbid für den Einsatz in der Schleifmittel-, Metallurgie- und Feuerfestindustrie hergestellt werden, haben oft einzigartige Spezifikationen wie Korngrößen, Bindemitteltypen, Reinheitsgrad, Dichte und Porositätsanforderungen. Unser Team von Washington Mills arbeitet gerne mit den Kunden zusammen, um ihre individuellen Anforderungen zu verstehen und alle Möglichkeiten mit CARBOREX-Produkten zu erkunden.

Sintern

Siliciumcarbid lässt sich nur schwer bearbeiten und schleifen, so dass zum Schneiden oder Schleifen Diamant- oder Ultraschallwerkzeuge erforderlich sind. Darüber hinaus erfordert seine empfindliche Oberfläche eine sorgfältige Behandlung, um ein Abplatzen oder Absplittern zu vermeiden, da es aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit sehr hohen Temperaturen in Öfen oder Brennkammern gut standhalten kann.

Acheson-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird Quarzsand mit kohlenstoffhaltigem Kokspulver gemischt, um einen grünen oder schwarzen Feststoff zu erhalten, der dann zu einem feinen Pulver gemahlen und mit anderen Zutaten zu einem Weichmacher gemischt wird, der es ermöglicht, dass sich Siliziumdioxid und Kohlenstoffatome miteinander verbinden, und der dann in Formen geformt wird, bevor er mit flüssigem Silizium infiltriert wird, um ein reaktionsgebundenes oder gesintertes Material zu erhalten.

Gesintertes Siliciumcarbid ist reiner als reaktionsgebundenes Siliciumcarbid, lässt sich leichter bearbeiten und formen und weist eine hervorragende Korrosions-, Verschleiß- und Temperaturwechselbeständigkeit auf - es kann Temperaturen von 1600 Grad Celsius standhalten, ohne zu oxidieren oder chemisch angegriffen zu werden. Aufgrund dieser Eigenschaften wird es in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt.

Die Sintertechnologie wird in großem Umfang in fortgeschrittenen elektronischen Anwendungen eingesetzt. Dabei werden große Einkristallkugeln im Sinterverfahren hergestellt und anschließend in Wafer für den Einsatz in Halbleitergeräten geschnitten. Manchmal werden reine Materialien mit Bor oder Aluminium gemischt, um die Härte und Härtbarkeit zu erhöhen.

Durch Sintern können hochfeste, rissbeständige Keramiken hergestellt werden. Diese Art von Keramik ist nicht nur hochtemperaturbeständig, sondern auch hochgradig feuerfest gegenüber Chemikalien wie Schwefel- und Flusssäure; daher der Name gesintertes a-SiC. Die Härte, Steifigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Härte von Siliziumkarbid machen es auch zu einem begehrten Material für astronomische Teleskopspiegel; im Gegensatz zu vielen anderen Spiegelmaterialien bleibt es bei Temperaturschwankungen stabil, ohne sich unter seinem eigenen Gewicht zu verformen, so dass es Glas in verschiedenen Teleskopmodellen ersetzen kann, von kleinen Handgeräten bis hin zu riesigen Weltraumobservatorien.