Schmelzpunkt von Siliciumcarbid

Siliciumcarbid (allgemein als SiC bezeichnet) ist eine synthetische kristalline Substanz, die in reinem Zustand keine Farbe hat und zur Herstellung von Schleifmitteln, feuerfesten Materialien, Keramik, Glas und harten Legierungen wie Stahl verwendet wird.

SiC wird durch das Zusammenschmelzen von Quarzsand und Kohlenstoff in elektrischen Widerstandsöfen bei hohen Temperaturen hergestellt. Bor kann zu einer höheren Verdichtung beitragen.

Temperatur

Siliciumcarbid (SiC) ist ein hartes und feuerfestes Halbleitermaterial mit polytypischen Strukturen, die auf Stapelfolgen von Kohlenstoff- und Siliciumatomen beruhen, vor allem Zinkblende (3C SiC). Andere SiC-Strukturen können kubisch, hexagonal oder rhomboedrisch sein und werden zur Identifizierung als Alpha-SiC oder Beta-SiC bezeichnet. Die gelb bis grün bis bläulich-schwarz schillernden Kristalle von SiC sublimieren bei 2700 Grad Celsius mit einer Dichte von annähernd 3,21 g cm-3 für die Sublimation.

Edward Goodrich Acheson machte seine Entdeckung und anschließende kommerzielle Produktion 1893 unter dem Namen Carborundum bekannt, dem Namen, der seiner kristallinen Form gegeben wurde. Heute wird diese harte Substanz üblicherweise als Schleifmittel in Schleifscheiben und Metallschneidewerkzeugen verwendet und in Öfen zur Herstellung von Nichteisenmetallen sowie als feuerfestes Material bei der Wärmebehandlung von Metallen, bei der Glasherstellung und in Produktionsanlagen für Halbleiterelektronik eingesetzt.

Der Schmelzpunkt von Siliciumcarbid ist druckabhängig. Wie in Abbildung 2 dargestellt, repräsentiert die experimentelle Kurve zahlreiche Abschreckversuche, die unter verschiedenen Temperaturen und Druckbedingungen durchgeführt wurden. Wie die negative Steigung der Kurve zeigt, sinkt die Schmelztemperatur mit zunehmendem Druck, wie durch ab initio-Berechnungen auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie vorhergesagt wurde. Dieser Trend stimmt mit den Vorhersagen überein, die mit ab initio Modellen der Dichtefunktionaltheorie gemacht wurden. American Elements bietet eine beeindruckende Auswahl an hochreinen Siliciumcarbid-Zusammensetzungen an, die von Standard- und kundenspezifischen Zusammensetzungen, Stäben, Stangen, Platten und Pulverformen - sowie anderen bearbeiteten Formen, die auf Anfrage erhältlich sind - in Bezug auf Reinheitsgrade und andere Eigenschaften wie organometallische Verbindungen oder Lösungen reichen. Diese große Auswahl kann als Standardmaterial ab Lager bei American Elements erworben oder nach Kundenspezifikationen für den Einsatz in Forschungsanwendungen angepasst werden.

Druck

Siliciumcarbid (SiC) ist eine extrem harte, kovalent gebundene Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff, die in der Natur als Mineral Moissanit vorkommt und seit 1893 in großen Mengen für die Verwendung als Schleifmittel hergestellt wird. Siliciumcarbidkörner können auch durch Sintern zu Hartkeramiken mit zahlreichen Anwendungen verbunden werden; durch Dotierung mit Stickstoff oder Phosphor entsteht ein n-Typ-Halbleiter, während durch Dotierung mit Bor, Aluminium, Gallium oder Beryllium p-Typ-Halbleiter entstehen können.

Siliciumcarbid schmilzt je nach Kristallstruktur und Temperatur bei unterschiedlichem Druck, wobei die Alpha-Modifikation (a-SiC) hexagonale, dicht gepackte Körner ähnlich dem Wurtzit und die Beta-Modifikation (b-SiC) eine diamantähnliche Zinkblende-Kristallstruktur aufweist. SiC setzt sich aus mehreren Polymorphen zusammen, deren Einheitszellen von kubisch bis rhomboedrisch reichen; am weitesten verbreitet ist die Alpha-Modifikation, die hexagonal dicht gepackte Körner ähnlich dem Wurtzit aufweist, während die Beta-Modifikation (b-SiC), die beide dicht gepackte hexagonale dicht gepackte hexagonale dicht gepackte hexagonale dicht gepackte hexagonale dicht gepackte hexagonale dicht gepackte hexagonale dicht gepackte Kristallstrukturen ähnlich dem Wurtzit aufweist.

Siliciumcarbid in der Form von a-SiC wird häufig für Polierpapier und Schleifmittel verwendet, während das Gegenstück b-SiC nur begrenzte kommerzielle Verwendung findet. Ihre Schmelzpunkte wurden bis zu einer Temperatur von 3300 K gemessen, und unter diesen Bedingungen schmolzen beide Arten kongruent mit einer ungünstigen Steigung von -44+4 K/GPa auf ihrer Schmelzkurve, was auf eine höhere Dichte von geschmolzenem a-SiC als b-SiC hinweist.

Dichte

Siliciumcarbid ist ein extrem hartes Material mit hervorragender Korrosions- und Abriebfestigkeit, mit einem hohen Schmelzpunkt, der großen Drücken standhält, und ohne chemische Verunreinigungen - als solches kann es bei Raumtemperatur oder unter hohem Druck zu verschiedenen Metallen geschmolzen werden. Es wird hauptsächlich als Schleifmittel und feuerfestes Material in Anwendungen wie Ofenauskleidungen verwendet. Siliciumcarbid ist außerdem beständig gegen die meisten organischen und anorganischen Säuren und Salze (außer Flusssäure), jedoch nicht gegen Flusssäure!

Die feuerfeste Eigenschaft von Siliziumkarbid hat dazu geführt, dass es in Schleifprodukten wie Autobremsen und -kupplungen sowie in Keramikplatten für kugelsichere Westen weit verbreitet ist. Außerdem wird es in Fertigungsmaschinen wie Bohrern, Schleifscheiben, Fräsern und Laserschneidsystemen verwendet. Außerdem verfügt es über eine große Bandlücke, die sich für elektronische Komponenten wie Radarsysteme, Mikrowellenantennen, Solarzellen und Hochspannungsgeräte eignet.

Die Dichte von Siliciumcarbid liegt zwischen 2,8 und 3,2 g/cm3. Es schmilzt bei niedrigen Temperaturen und bildet ein Siliziumdioxid-Kohlenstoff-Tetraeder-Kristallgitter mit starken kovalenten Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Siliziumatomen. Die Vorhersage des Schmelzpunkts ist mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT) leicht möglich; die Schmelztemperaturen erreichen Spitzenwerte um 1200 °C, während der Minimalwert bei 3000 °C liegt; die erstellte Schmelzkurve weist eine negative Steigung von -44+4 K/GPa auf, was gut mit den experimentellen Daten über Schmelzen übereinstimmt.

Chemische Zusammensetzung

Siliciumcarbid (SiC) ist ein unlösliches kristallines Material von typisch gelber bis grüner Farbe mit bläulich-schwarzen Reflexen, das bei 2700 Grad Celsius sublimiert und in Pulverform vorliegt. In Wasser ist es unlöslich, in Alkalien (NaOH und KOH) oder Eisen löst es sich auf. Im unlöslichen Zustand sublimiert es bei 3,21 g cm-3 mit einer Sublimationstemperatur von etwa 2700 °C.

Siliciumcarbid verbindet Si- und C-Atome in zwei primären Koordinationstetraedern, wobei vier Si- Atome an ein zentrales Kohlenstoffatom gebunden sind, die dann an ihren Ecken miteinander verbunden sind und polare Strukturen bilden, die diesem Material seine Härte verleihen. In den Siliciumcarbidkristallen gibt es verschiedene Stapelfolgen oder Polytypen von Si- und C-Atomen, die diesem Material seine vielfältigen Formen und Eigenschaften verleihen.

Reines Siliciumcarbid ist in der Regel ein elektrischer Isolator; seine Leitfähigkeit kann jedoch durch Dotierung mit Stickstoff oder Phosphor und Zugabe von Bor oder Aluminium verbessert werden. Karborunde, die in Kristallradios verwendet werden, enthalten oft dotiertes Siliziumkarbid.

Seit 1912 wird Siliciumcarbid als Schleifmittel eingesetzt. Darüber hinaus wird es zur Herstellung von feuerfesten Auskleidungen, Hochtemperatursteinen und -keramik, Automobilteilen, Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen, harten elektrischen Bauteilen und kugelsicheren Westen verwendet. Mit dem höchsten Schmelzpunkt und der härtesten Einstufung auf der Mohs-Skala unter den modernen keramischen Werkstoffen sowie seiner dichten Bauweise, die chemische Angriffe auf das Material verhindert, ist Siliciumcarbid nach wie vor ein beliebtes Schleifmittel.