Siliziumkarbid Formel

Siliziumkarbid, besser bekannt als Karborund, ist eine harte und feste Nichtoxidkeramik mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften, die häufig in Schleifmitteln und metallurgischen Anwendungen eingesetzt wird.

Ursprünglich wurde SiC nach dem Acheson-Verfahren hergestellt; heute wird es in einem elektrischen Widerstandsziegelofen durch Mischen von reinem Quarzsand mit fein gemahlenem Koks massenhaft produziert, wobei gelbgrüne bis bläulich-schwarze Kristalle mit einem auffälligen Schimmer entstehen.

Physikalische Eigenschaften

Siliziumkarbid (SiC) ist eine extrem harte, kristalline Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die als Moissanit bekannt ist und erstmals 1893 von dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Chemiker Henri Moissan im Rahmen seiner Untersuchungen natürlicher Materialien in natürlicher Form entdeckt wurde (der Canyon Diablo-Meteorit in Arizona).

Siliciumcarbid hat eine geschichtete Kristallstruktur und kommt in verschiedenen Polytypen mit spezifischen Stapelanordnungen von Silicium- und Kohlenstoffatomen vor, die als 3C-SiC bekannt sind, obwohl es über 100 andere Strukturen mit ähnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften gibt.

Siliciumcarbid kann durch Sintern (Zusammenbinden der Partikel durch hohe Temperaturen) mit verschiedenen Methoden in keramische Werkstoffe umgewandelt werden. Ein beliebtes Verfahren hierfür ist reaktionsgebundenes SiC, auch bekannt als Hexoloy(r), bei dem reaktionsgebundenes SiC-Pulver mit porösem Kohlenstoff-Einsatzmaterial durch additive Formgebung, Gießen oder Strangpressen gemischt wird, um ein vollständig verdichtetes keramisches Material mit außergewöhnlichen chemischen und mechanischen Eigenschaften herzustellen, das auch bei extremen Endtemperaturen funktioniert.

Chemische Eigenschaften

Siliciumcarbid hat viele vorteilhafte Eigenschaften, die es zu einer wertvollen industriellen Verbindung machen. Es ist chemisch inert und korrosionsbeständig. Darüber hinaus ist Siliciumcarbid ein hervorragendes Schleifmittel, das aufgrund seiner Haltbarkeit und Mohshärte von 10,5 in der modernen Steinschneidekunst weit verbreitet ist.

Dieses kristalline Material kann dotiert werden, um sowohl n-Typ- als auch p-Typ-Halbleiter zu erzeugen, wobei eine Stickstoffdotierung den ersteren und eine Gallium-, Aluminium- oder Bordotierung den letzteren erzeugt. Es hat eine hohe Temperaturtoleranz und reagiert nicht mit Alkalien oder den meisten organischen Substanzen, mit Ausnahme von Flusssäure.

Die außergewöhnliche Elastizität von Siliziumkarbid hat dazu geführt, dass es in verschiedenen Anwendungen eingesetzt wird, von keramischen Bremsscheiben für Sportwagen und kugelsicheren Westen bis hin zu Pumpenwellendichtungen aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seiner Fähigkeit, Reibungswärme abzuführen, bevor sie auf Stahllagerflächen übertragen wird. Darüber hinaus bedeutet seine komplexe chemische Zusammensetzung, dass es mehrere Formen oder Polytypen gibt, die unterschiedliche Kristallstrukturen und Bindungsanordnungen innerhalb seiner Verbindung enthalten.

Elektrische Eigenschaften

Siliciumcarbid hat in den letzten Jahren aufgrund seiner außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften wie hoher Härte und chemischer Inertheit wieder an Bedeutung gewonnen, verfügt aber auch über nützliche elektrische Eigenschaften. Aufgrund seiner kristallinen Struktur ermöglicht Siliziumkarbid die Einbringung von Verunreinigungen, die als Dotierung bezeichnet werden, um mehr freie Ladungsträger wie Elektronen und Löcher in seinem Material zu erzeugen, was die Leitfähigkeit erhöht.

Die einzigartige atomare Struktur von Siliziumkarbid verleiht ihm eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die auf die enge Packung seiner Atome mit großen Radien und die daraus resultierende phononische Leitung zurückzuführen ist; dies verschafft Siliziumkarbid einen Vorteil gegenüber anderen Strukturkeramiken wie Aluminiumnitrid und Berylliumoxid, die aufgrund ihrer größeren Atomradien eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Siliciumcarbid kommt in der Natur in Form des kristallinen Minerals Moissanit in geringen Mengen vor; der größte Teil des kommerziell genutzten Siliciumcarbids wird jedoch synthetisch für die Verwendung als Schleifmittel oder fortschrittliches feuerfestes Material hergestellt, indem ein Gemisch aus Quarzsand und Kohlenstoff in einem elektrischen Widerstandsofen gezündet wird.

Mechanische Eigenschaften

Siliciumcarbid (SiC) ist ein extrem hartes keramisches Material mit einer Härte von 9 auf der Mohs-Skala. Es erscheint typischerweise als gelb bis grün bis bläulich-schwarz schillernde Kristalle, die bei 2700 Grad Celsius sublimieren, bevor sie sich in Wasser oder mit Alkalien und Eisen bei höheren Temperaturen zersetzen, und weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei Temperaturen bis 1600 Grad Celsius auf, wobei Textur, Korngröße, Stapelfehler, Verunreinigungen oder Stapelfehler eine untergeordnete Rolle für die mechanischen Eigenschaften spielen.

Er wird industriell nach dem Acheson-Verfahren hergestellt, bei dem Siliziumdioxid mit Kohlenstoff in einem Elektroofen bei hohen Temperaturen gemischt wird, oder er kommt in der Natur als Moissanit vor, der erstmals 1893 im Meteoritenkrater Canyon Diablo in Arizona entdeckt wurde. Moissanit ist seit langem als wesentliches Material für moderne Funktionskeramik, Schleifmittel und metallurgische Rohstoffe anerkannt, da es eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und eine minimale Wärmeausdehnung sowie eine außergewöhnliche chemische Stabilität aufweist; es ist beständig gegen die meisten organischen und anorganischen Säuren sowie gegen Salze, außer Flusssäure oder saure Fluoride, die vorhanden sind.