Siliziumkarbid-Anwendungen

Siliciumcarbid ist ein äußerst nützliches Material, das in zahlreichen Branchen Anwendung findet. Obwohl es in der Natur in Form von Moissanitvorkommen vorkommt, wird Siliciumcarbid (SC) heute überwiegend synthetisch hergestellt.

Mit ihrer hohen Bruchspannung und ihrem geringen Einschaltwiderstand eignen sich Siliziumwafer hervorragend für die Herstellung von Halbleitergeräten. Darüber hinaus gewährleistet ihre Korrosionsbeständigkeit, dass sie hohen Temperaturen und korrosionsbedingten Problemen standhalten können.

Abrasive Werkzeuge

Siliziumkarbid (gemeinhin als "Karborund" bezeichnet) ist ein haltbares keramisches Material mit außergewöhnlicher Hochtemperaturfestigkeit und Wärmeausdehnungseigenschaften. Als solches wird es häufig für Strahlanwendungen verwendet, bei denen haltbare, langlebige Strahlmittel erforderlich sind, um Rost zu entfernen, Produkte für die Lackierung vorzubereiten oder alte Oberflächenbeschichtungen zu entfernen. Es wird üblicherweise zu einer kantigen, kornförmigen Körnung geformt, bevor es bei 1200-1400 Grad Celsius erhitzt wird, um es zu losen oder festen Strahlmitteln zu verbinden.

Siliciumcarbid-Schleifmittel werden durch ein Verfahren hergestellt, das als carbothermische Reduktion bekannt ist. Dazu wird ein Gemisch aus reinem Quarzsand, Koks und Salz in einem elektrischen Widerstandsofen erhitzt, bis die kohlenstoffhaltigen Bestandteile als Elektrode wirken und sich chemisch mit den Quarzmolekülen verbinden, um Karborundmehl zu bilden. Nach Beendigung des Erhitzungsvorgangs wird dieser Grünsand weiter zerkleinert, bevor durch die Klassifizierung der Partikelgröße sichergestellt wird, dass die hergestellten Produkte den spezifischen Anforderungen der Industrie und der Kunden entsprechen.

Siliziumkarbid zeichnet sich unter den anderen Schleifmitteln durch seine extreme Härte aus, die auf der Mohs'schen Härteskala mit 9 angegeben wird (nur übertroffen von Diamant und Borkarbid). Aufgrund dieser außergewöhnlichen Härte ist Siliziumkarbid ein ideales Material zum Schneiden oder Schleifen von harten und spröden Materialien mit minimalem Kraftaufwand.

Siliziumkarbid-Strahlmittel eignen sich nicht nur zum Strahlen, sondern auch zum Schleifen von Metallen, Stein, Glas, Kork, Holzsubstanz und Kunststoffen. Obwohl es weniger widerstandsfähig ist als seine Pendants aus Aluminiumoxid, ermöglichen seine rasiermesserscharfen Schleifkörner bei leichtem Druck ein leichtes Durchschneiden dieser Materialien. Siliziumkarbid ist auch in Schleifscheiben, Schleifpapier, keramischen und Kunstharz-Schleifscheiben sowie in Sandstrahldüsen zu finden.

Schneidewerkzeuge

Siliziumkarbid wird in großem Umfang als Schleifmittel in Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen, Sandpapier und bei der Keramikherstellung verwendet. Auch in der Keramik wird dieses extrem harte Material sehr gut eingesetzt, da es sich aufgrund seiner Härte mit verschiedenen Werkzeugen für bestimmte Formen oder Oberflächen bearbeiten oder schnitzen lässt. Aufgrund seiner Kosteneffizienz und Verschleißfestigkeit ist es zu einem attraktiven Material für die Herstellung von Langzeitschleifmitteln wie Schleifscheiben geworden.

Siliziumkarbid wird üblicherweise zur Herstellung von Bohr- und Bearbeitungswerkzeugen, einschließlich Vollbohrern und Wendeschneidplattenbohrern, für die Zerspanung von Metallen wie Stählen und Aluminiumlegierungen sowie von Hochtemperaturwerkstoffen wie Titan oder Nickellegierungen verwendet. Dank ihrer Härte werden diese Werkzeuge selbst bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen kaum beschädigt.

Siliziumkarbid besitzt einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was es sehr widerstandsfähig gegen Abrieb, Korrosion und andere chemische Prozesse bei der Bearbeitung macht. Dank seiner Widerstandsfähigkeit kann es eine Reihe von Materialien schneiden, von Metallen über Verbundwerkstoffe bis hin zu Keramik.

Zirkoniumoxid und chromiumoxidverstärktes Aluminiumoxid sind Beispiele für keramische Werkstoffe, die sich für den Einsatz in Schneidwerkzeugen für harte und spröde Werkstoffe aufgrund ihrer höheren Härte, Druckfestigkeit, chemischen Inertheit bei erhöhten Temperaturen sowie ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit, die eine schnellere Wärmeableitung ermöglicht, als Wolframkarbid erwiesen haben, wodurch die Gefahr einer thermischen Schädigung der Werkstücke verringert und die Standzeit der Werkzeuge verlängert wird [3]. [4,5]

Hitzebeständige Materialien

Siliziumkarbid ist ein vielseitiges Material, das für Anwendungen von Schleifmitteln und feuerfesten Materialien bis hin zu Keramik und Hochleistungsanwendungen eingesetzt wird. Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe, die aus mit Siliziumkarbid verstärkten Metall- und Polymerteilen bestehen, können die Leistung erhöhen und gleichzeitig hitzebeständig sein; keramikverstärkte Aluminiumlegierungen bieten im Vergleich zu reinen Aluminiumlegierungen eine doppelt so hohe Festigkeit und 20% mehr Hitzebeständigkeit und sind gleichzeitig um zwei Drittel leichter.

SiC ist ein extrem hartes und chemisch beständiges Material. Es zeichnet sich durch hervorragende Wärmeleitfähigkeit, gute Abriebfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus; nur Diamant und Borkarbid können in Sachen Härte mithalten. Aufgrund dieser Eigenschaften ist SiC ein ideales Material für die Herstellung von keramischen Schleifmitteln wie Schleifscheiben und Schneidwerkzeugen; außerdem wird es wegen seiner Kombination aus thermischer Beständigkeit (hohe Hitzebeständigkeit) und mechanischer Beständigkeit (Abriebfestigkeit) häufig in feuerfesten Materialien und Keramiken verwendet.

Die einzigartigen Eigenschaften von Siliziumkarbid machen es zu einem attraktiven Material für die Herstellung von Hochgeschwindigkeits-Leistungsbauelementen. Dazu gehören ein hohes kritisches Avalanche-Durchbruchsfeld und eine breite Bandlücke, die es ermöglichen, mit weniger in Reihe geschalteten Bauelementen mehr Leistung zu liefern und so die Kosten und die Systemkomplexität zu verringern, während der niedrige Zustandswiderstand die Umwandlungsverluste begrenzt und die Zuverlässigkeit der Bauelemente erhöht.

SiC zeichnet sich durch die Kombination von Silizium- und Kohlenstoffatomen in seiner Struktur aus, die ihm einzigartige elektrische und thermische Eigenschaften verleiht. Es ist inert gegenüber Säuren und Laugen sowie hohen Temperaturen, und zu den Herstellungsverfahren gehören das Reaktionskleben sowie herkömmliche keramische Verfahren wie Heißpressen und druckloses Sintern. Formen und Größen können je nach Verwendungszweck geformt werden; der Sinterprozess ist relativ einfach und führt zu Sinterkörpern mit hoher mechanischer Dichte, deren Endmikrostruktur durch die Wahl des Sinterhilfsmittels, die Zugabe von Bindemitteln und die Press- und Sinterbedingungen gesteuert werden kann.

Abriebfeste Materialien

Siliziumkarbid ist ein extrem hartes Material mit hervorragender Abriebfestigkeit und mechanischer Festigkeit, wodurch es sich für verschiedene Anwendungen in einem breiten Temperaturspektrum eignet. Darüber hinaus erhöht seine hohe Druckfestigkeit die Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung, die im Laufe der Zeit auftreten kann; dies macht es zum idealen Material für industrielle Anwendungen, bei denen schwere Lasten oder hohe Geschwindigkeiten auftreten können.

Siliziumkarbid (SiC) ist eines der leichtesten und härtesten keramischen Materialien. Seine geschichtete Kristallstruktur besteht aus Silizium- und Kohlenstoffatomen, die über eine tetraedrische Bindungskonfiguration miteinander verbunden sind und verschiedene Polytypen mit unterschiedlichen Eigenschaften bilden. Die Alpha-Form (a-SiC) mit ihrer hexagonalen, Wurtzit-ähnlichen Kristallstruktur ist in industriellen Anwendungen weit verbreitet, während die Beta-Form (zn-Blende-Kristallstruktur) seltener vorkommt.

Siliziumkarbid bietet im Vergleich zu Stahlsorten eine höhere Verschleißfestigkeit; die Schlagverschleißfestigkeit von nitridgebundenem Siliziumkarbid ist jedoch wesentlich geringer, was seine breite Verwendung als Bodenbearbeitungsteile einschränkt.

Reaktionsgebundenes Siliciumcarbid (RBSC) ist ein Verbundwerkstoff für Anwendungen, die eine außergewöhnliche Verschleißfestigkeit, hervorragende feuerfeste Eigenschaften, chemische Stabilität und ein gutes Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht erfordern. RBSC lässt sich zu komplexen Formen mit ausgezeichnetem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis formen und bleibt dabei oxidations- und temperaturbeständig - ideal zum Schleifen und Schneiden feuerfester Materialien. Es wird häufig in Schleifmaschinen eingesetzt, die für diese Aufgabe verwendet werden.

Materialien für hohe Temperaturen

Die Materialauswahl für raue Anwendungen erfordert die Auswahl von Materialien mit hoher thermischer und chemischer Beständigkeit; Siliziumkarbid ist aus diesem Grund eine der ersten Wahl im Bergbau, bei Ölraffinerien und Pumpenanlagen.

Aufgrund seiner überragenden Temperaturstabilität bietet das keramische Material selbst bei hohen Temperaturen eine außergewöhnliche Festigkeit und Integrität. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner Beständigkeit gegen Korrosion und chemische Angriffe eine ausgezeichnete Wahl für den Einsatz in Umgebungen, die einen hohen Reinheitsgrad erfordern, wie z. B. in der Halbleiterherstellung.

Die Eigenschaften von Siliciumcarbid als technische Keramik werden durch seine Kristallstruktur bestimmt; Polytypen können aufgrund von Unterschieden in der Bandlücke unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Die Bandlücke bestimmt, wie Licht von Materialien absorbiert oder emittiert werden kann; Materialien mit breiter Bandlücke haben in der Regel eine höhere Durchlässigkeit, während Materialien mit schmaler Bandlücke in der Regel eine geringere Durchlässigkeit aufweisen.

Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid von bis zu 4,9 Watt pro Quadratmeter Kelvin ist eine seiner wichtigsten Eigenschaften für viele Anwendungen, da das Material dadurch problemlos hohen Temperaturen standhalten kann. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig bei feuerfesten Materialien oder verschleißfesten Teilen, bei denen eine hohe thermische Stabilität entscheidend ist.

Die höhere Spannungsfestigkeit von Siliziumkarbid im Vergleich zu Silizium macht es zu einer attraktiven Materialwahl für elektrische Hochspannungskomponenten wie Halbleiter und Drucksensoren, bei denen es bei höheren Spannungen zu Rissen kommen kann; seine Widerstandsfähigkeit übersteigt 1000-V-Systeme um das 10-fache im Vergleich zu Silizium bzw. Galliumnitrid.