Ein neues Verfahren für das Siliziumkarbid-Recycling

Siliziumkarbid ist ein energieeffizientes Material, das es Elektrofahrzeugen ermöglichen kann, größere Fahrstrecken ohne aktive Kühlsysteme zurückzulegen und sowohl die Größe als auch das Gewicht der eingebauten Batteriemanagementsysteme zu verringern.

Forscher der Rice University haben ein innovatives Verfahren für das Upcycling von pulverförmigem SiC-Abfall zu hochwertigen Rohstoffen entwickelt, das so genannte Flash-Upcycling. Das Verfahren ist energieeffizient und erzeugt ein grünes Nebenprodukt.

Recyceltes Siliziumkarbid

Die Herstellung von Siliziumkarbid ist energieaufwendig und erzeugt erhebliche Abfallstoffe. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS Dresden haben gemeinsam mit dem Industriepartner ESK-SiC GmbH ein umweltfreundliches Verfahren entwickelt, das diese Abfälle zu hochwertigem Siliziumkarbid recycelt - und dabei Energie spart, die Umweltbelastung reduziert und Rohstoffe schont.

Rekristallisiertes SiC-Pulver eignet sich gut für Anwendungen in der spanabhebenden Bearbeitung, der Oberflächenbehandlung, für ballistische Schutzkeramiken und Filtermaterialien. Darüber hinaus ist dieses rezyklierte Material schlag- und rissfester als herkömmliches SiC, wodurch es sich leichter verarbeiten lässt. Die Recyclingfähigkeit wird durch die Beibehaltung der Härte nach der Wärmebehandlung weiter verbessert - eine wesentliche Voraussetzung für die Weiterverarbeitung zu nützlichen Produkten.

Wiederaufbereitetes SiC-Material hat je nach Anwendung eine Korngröße von 50 bis 120 Mikrometern und eignet sich daher für Schleif- und Schneidanwendungen oder sogar als Alternative zu Natursand beim Schleifen, wo sein geringeres Partikelvolumen eine gleichwertige Schleifwirkung bei höherem Durchsatz bietet.

Wiederaufbereitetes Siliciumcarbid kann auch für die Herstellung von reaktionsgebundenen und nitridgebundenen SiC-Tiegeln verwendet werden, da es aufgrund seiner geringen Reaktivität und hohen Härte besser geeignet ist als herkömmliches granuliertes SiC. Außerdem ist wiederaufbereitetes SiC aufgrund seiner hervorragenden Sinter- und Formeigenschaften ein hervorragender Ersatz für die derzeitige Verwendung in diesen Anwendungen.

Wiederaufbereitetes Siliciumcarbid weist in der Regel Korngrößen zwischen 60 Mikrometern und 90 Prozent Porosität auf, mit einer schlagfesten porösen Struktur, die widerstandsfähiger ist als die von herkömmlichem körnigem SiC-Granulat. Darüber hinaus können die Produktionskosten und der Energieverbrauch im Vergleich zu natürlichen Sandproduktionsmethoden niedriger sein; schließlich behält es auch nach der Wärmebehandlung eine hohe Härte - wesentliche Eigenschaften für Hochtemperaturanwendungen.

Der Prozess

Die Herstellung von Siliziumkarbid erfordert energieintensive Prozesse, bei denen große Mengen an pulverförmigen Abfällen anfallen. Forscher des Fraunhofer IKTS haben eine Lösung für das Recycling dieses pulverförmigen Nebenprodukts zu hochwertigem Siliziumkarbid entwickelt, die die industrielle Umweltverschmutzung verringert und gleichzeitig Abfälle in wertvolle Rohstoffquellen umwandelt. Ihr neues Verfahren mit dem Namen RECOSiC verringert die industrielle Umweltverschmutzung erheblich und verwandelt gleichzeitig industrielle Abfälle in wertvolle Rohstoffquellen.

SiC wird durch Mischen von Quarzsand mit fein gemahlenem Koks in einem Elektroofen hergestellt, in dem elektrischer Strom durch einen Kohlenstoffleiter fließt und eine chemische Reaktion auslöst, bei der sich Silizium und Kohlenmonoxidgase bilden, die später herausgefiltert werden, so dass ein reines Quarzsandgemisch zurückbleibt, das dann zerkleinert und in verschiedene Korngrößen oder Pulver sortiert werden kann.

Siliziumkarbidprodukte finden in vielen Bereichen Anwendung. Siliciumcarbid bietet verschiedene attraktive Eigenschaften wie extrem hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit; außerdem ist es ein hervorragender elektrischer Isolator, der die Herstellung fortschrittlicher elektronischer Geräte wie z. B. Halbleiterplatinen unterstützt.

Die einzigartige Kristallstruktur von Siliciumcarbid verleiht ihm seine besonderen Eigenschaften. Es bildet eng gepackte Strukturen mit kovalenten Bindungen zwischen seinen Atomen. Sie sind in zwei primären Koordinationstetraedern organisiert, die jeweils vier Silizium- und vier Kohlenstoffatome enthalten und miteinander verbunden und gestapelt sind, um Polytypen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zu bilden.

Siliciumcarbid gibt es in verschiedenen Formen und Größen. Gängige Beispiele sind Tetraeder, Kugeln, Stäbe und Sechsecke; aus verschleißfesten Schichten, die mit flüssigem Silizium infundiert werden, kann Siliziumkarbidnitrid (SiNx) entstehen; es kann sogar als große Einkristalle gezüchtet werden, die als Lely-Edelsteine bekannt sind.

Siliziumkarbid wird derzeit in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt, von Schleifmitteln und beschichteten Schleifmitteln bis hin zur Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge (EVs). Seine Verwendung reduziert die Reibung, die Kosten, verbessert die Effizienz und verlängert die Batterielebensdauer - Eigenschaften, die seine Verwendung in diesen Anwendungen attraktiv gemacht haben. Siliziumkarbid hat sich als besonders effektiv erwiesen, wenn es darum geht, die Reibungskosten zu senken und gleichzeitig die Kosten zu senken und die Leistung im Vergleich zu alternativen Materialien zu verbessern.

Die Materialien

Siliziumkarbid, gemeinhin als Karborund bezeichnet, ist eine harte chemische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die in der Natur als das seltene Mineral Moissanit vorkommt und seit 1893 in großen Mengen als Schleifmittel hergestellt wird. Aufgrund seiner langen Lebensdauer und des minimalen Ersatzbedarfs hilft Siliciumcarbid Unternehmen und Verbrauchern, die Abfallerzeugung zu verringern und so die Umweltbelastung zu reduzieren und gleichzeitig Kosten für die Entsorgung und den Ersatzbedarf zu sparen.

Siliciumcarbidin ist in der Industrie vielseitig einsetzbar. Es verfügt über eine ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit, einen hohen Schmelzpunkt, eine geringe Dichte, eine hohe mechanische Festigkeit und kann sehr hohen Temperaturen ohne Rissbildung standhalten, was es für Schneid-, Schleif- und Polierarbeiten nützlich macht. Siliciumcarbidin ist außerdem ein wichtiger Rohstoff für die Herstellung von technischer Keramik und feuerfesten Materialien, für die Halbleiterelektronik, für Hochleistungsscheiben, -seilsägen und -schleifmittel sowie für Verbundwerkstoffe mit Stahl.

Für die Herstellung von Siliciumcarbid werden zwei Hauptrohstoffe benötigt: Quarzsand und Petrolkoks. In industriellem Maßstab erfolgt die Herstellung nach dem Acheson-Verfahren, bei dem ein Gemisch in Freiluftöfen zur karbothermischen Reduktion auf ca. 2.300 Grad Celsius erhitzt wird, bevor es für die weitere Verarbeitung zu Partikeln zermahlen wird. Leider verursacht diese Methode jedoch erhebliche CO2-Emissionen: Pro Tonne SiC, die mit dieser Technik hergestellt wird, werden etwa 2,4 Tonnen freigesetzt.

Im Rahmen der Bemühungen um eine Verringerung der ökologischen Auswirkungen wäre das Recycling des bei der Synthese anfallenden Schlamms nützlich, um hochwertige SiC-Abfallprodukte herzustellen und die Beschaffung aus natürlichen Quellen zu verringern. Dies würde die Herstellung von SiC-Abfallprodukten aus Schleifschlamm ermöglichen und gleichzeitig die mit der Beschaffung natürlicher Rohstoffe verbundenen Kosten senken.

In diesem Beitrag werden die Eigenschaften, insbesondere die Granulometrie, von rezyklierten Siliziumkarbidabfällen im Hinblick auf eine mögliche Einbeziehung in neue Zementrezepturen untersucht. Unser Ziel war es, herauszufinden, ob wir rezyklierte Siliziumkarbidabfälle mit minimalen Auswirkungen auf die Gesamtgranulometrie und die Korncharakteristik des Betons ersetzen können. Unsere Studienergebnisse zeigen, dass dieses Material tatsächlich diesen Zweck erfüllen kann und ähnliche Werte wie andere mineralische Zuschlagstoffe aufweist.

Die Endprodukte

Siliziumkarbid, ein industrielles Material, das häufig in Anwendungen von feuerfesten Komponenten bis hin zu Halbleitern eingesetzt wird, ist sehr begehrt, aber seine Herstellung erfordert energieintensive Prozesse, bei denen große Mengen CO2 freigesetzt werden. Jetzt haben Forscher einen umweltfreundlichen Weg zum Recycling dieses Materials entwickelt, indem sie Neben- und Abfallprodukte wieder in hochwertiges Siliziumkarbid umwandeln.

Das RECOSiC(c)-Verfahren recycelt pulverförmige SiC-Abfälle, die bei der Produktion anfallen, zu Siliciumcarbid, das in bekannten Produkten und Verfahren wiederverwendet werden kann, wodurch sich die Ausbeute erhöht und die Abhängigkeit von Rohstofflieferanten verringert.

Zur Herstellung von Siliciumcarbid müssen Quarzsand und Petrolkoks in Acheson-Öfen unter freiem Himmel erhitzt werden. Leider fallen dabei große Mengen von Nebenprodukten an, die aufgrund ihrer geringen Korngröße und Schneidleistung nicht für hochwertige Anwendungen verwendet werden können. Darüber hinaus stellt die Verunreinigung durch den Luftstrom eine weitere ernsthafte Bedrohung dar, wenn man mit solchen riesigen offenen Öfen arbeitet.

Für das Recycling von Siliciumcarbid müssen Abfallprodukte und Schlämme zunächst getrennt und gereinigt werden. Beim RECOSiC-Verfahren werden sie durch Joule-Flash-Erhitzung schnell erhitzt, bevor sie mit flüssigem Silizium kombiniert werden, um sekundäres Siliziumkarbid zu erzeugen, das dann mit flüssigem Silizium infiltriert wird, um die Porosität zu verringern und die Reinheit des primären SiC zu erhöhen.

Nach der Reinigung wird das Siliciumcarbid einem kritischen Wärmeentbinderungs- und Pyrolyse-Wärmebehandlungsprozess in einem Ofen unterzogen, wo es unter sauerstofffreien Bedingungen erhitzt wird, um seinen Kohlenstoffgehalt zu extrahieren und Bindemittelreste abzubrennen - dieser Schritt erhöht die Reinheit auf bis zu 98%!

Recyceltes Siliciumcarbid kann für viele verschiedene Zwecke verwendet werden, von Schleifmitteln wie Sandpapier und Schleifscheiben bis hin zu Verbundwerkstoffen mit Stahl. Weitere Anwendungen für recyceltes SiC sind Hochtemperatur-Feuerfestmaterialien, ballistische Schutzkeramiken für die Militärtechnik und die Automobil- und Umwelttechnik (Dieselpartikelfilter). Recyceltes SiC, das nach dem RECOSiC-Verfahren hergestellt wird, enthält überwiegend hexagonale Kristallstrukturen (a-SiC), während Beta-Siliciumcarbid (b-SiC) vorliegt.