Siliziumkarbid-Verbindung

Siliziumkarbid, besser bekannt als Carborundum, ist eine extrem harte, synthetisch hergestellte kristalline Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die sich durch hohe Wärmeleitfähigkeit, einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, chemische Beständigkeit und halbleitende Eigenschaften auszeichnet.

Moissanit, sein natürliches Pendant, kommt als Mineral vor, ist jedoch nur in sehr geringen Mengen in Meteoriten und Kimberlitvorkommen zu finden; daher wird er fast ausschließlich synthetisch hergestellt.

Härte

Siliziumkarbid (SiC) ist eine harte Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff und kommt in der Natur als Mineral Moissanit im Meteoritenkrater Canyon Diablo in Arizona vor. Edward Acheson begann 1893 mit der Massenproduktion von SiC zur Verwendung als industrielles Schleifmittel, doch seitdem hat sich dessen Einsatz als Grundlage für langlebige Keramikanwendungen wie Bremsen, Kupplungen und Schutzwesten im Automobilbereich weit verbreitet.

Härtewerte auf der Mohs-Skala reihen es unter die härtesten Materialien ein, die der Menschheit bekannt sind, was es zu einem der widerstandsfähigsten Materialien überhaupt macht. Darüber hinaus sorgt seine sehr hohe Härte (9 auf der Mohs-Skala) dafür, dass es widerstandsfähig genug ist, um Stößen und Verschleiß standzuhalten, sowie korrosionsbeständig ist und im Vergleich zu ähnlichen Materialien eine geringe Wärmeleitfähigkeit und Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Durch Dotierung mit Bor, Niob oder Aluminium lässt es sich zudem zu einem p-Typ-Halbleitermaterial machen.

Siliziumkarbid weist eine dicht gepackte Struktur auf, die aus Kohlenstoff- und Siliziumatomen besteht, die über tetraedrische Bindungen kovalent zu Vierergruppen verbunden sind. Dadurch entsteht ein Feststoff, der in Wasser, Alkohol und den meisten organischen Verbindungen unlöslich, in geschmolzenen Laugen und Eisen jedoch löslich ist. SiC zeichnet sich durch seine faszinierenden elektrischen Eigenschaften aus; der Widerstandspegel erstreckt sich über sieben Größenordnungen, was auf die zahlreichen Polytypen in seiner chemischen Zusammensetzung zurückzuführen ist.

Dauerhaftigkeit

Siliziumkarbid ist äußerst langlebig und hält hohem Druck stand. Darüber hinaus eignet es sich aufgrund seines Schmelzpunkts von über 2.000 °C und seines geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten für Hochtemperaturanwendungen.

Edward Goodrich Acheson leistete 1891 Pionierarbeit bei der kommerziellen Herstellung dieses Materials. Acheson verwendete Kohlenstoff aus Kohle als Elektrode und erhitzte eine Mischung aus Ton und Kokspulver in einer Eisenschüssel; dabei bildeten sich hellgrüne Kristalle, die sehr hart waren und Diamanten ähnelten; diese Verbindung war ursprünglich als Carborundum bekannt, wird heute jedoch als SiC bezeichnet.

Kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist ein außergewöhnliches Material und einer der härtesten Stoffe, die der Menschheit bekannt sind – nur Diamant, kubisches Bornitrid und Borcarbid können ihm das Wasser reichen. Mit einer Mohs-Härte von 9 findet Kohlefaser in einer Vielzahl von Bereichen breite Anwendung: Sie kommt als Schleifmittel wie Sandpapier und Schleifscheiben zum Einsatz, in Industrieöfen als feuerfestes Material, als Schneidwerkzeuge für Schneidetische und sogar in Automobilbremsen und -kupplungen!

Dank ihrer chemischen Inertheit ist Keramik beständig gegen Korrosion durch verschiedene Chemikalien und behält ihre Festigkeit über einen weiten Temperaturbereich bei. Keramik ist zudem ein wesentlicher Bestandteil von Verbundpanzerungssystemen, die sowohl gegen aktuelle als auch gegen neu auftretende ballistische Bedrohungen wirksam sind. Dazu gehören die hochleistungsfähigen, leichten SiC-Keramiken von Saint-Gobain Performance Ceramics & Refractories, wie beispielsweise reaktionsgebundenes SiC (RBSC), gesintertes SiC und Carborundum für diesen Anwendungszweck.

Wärmeleitfähigkeit

Siliziumkarbid ist in seiner reinsten Form in der Regel ein Isolator, kann jedoch durch Zugabe von Verunreinigungen oder Dotierung halbleitende Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus verfügt dieses Material über hervorragende Beständigkeitseigenschaften für Hochtemperaturanwendungen; außerdem zeichnet es sich durch geringe Neutronenquerschnitte und Strahlungsbeständigkeit aus.

Die Wärmeleitfähigkeit von SiC hängt von seiner Struktur und der Größe der Kristalle ab. Wie bei den meisten Feststoffen steigt seine Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Temperatur. Einkristallines SiC weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, während polykristallines SiC aufgrund der zufälligen Verteilung der Körner, die zu Oberflächenstreuungseffekten führen, tendenziell niedrigere Werte aufweist.

Siliziumkarbid kommt in verschiedenen Polymorphen vor, wobei Alpha-Siliziumkarbid (a-SiC) die bekannteste Form ist. a-SiC weist hexagonale Kristallstrukturen auf, ähnlich denen von Wurtzit; die Beta-Modifikation b-SiC weist Zinkblende-Kristallstrukturen auf, ähnlich denen von Diamant, und seltener vorkommende Formen können sogar als Katalysatorträgermaterialien dienen.

Es wurden aktuelle Rasterelektronenmikroskopaufnahmen sowohl von a-SiC als auch von b-SiC angefertigt, um zu untersuchen, wie sich der Synthesevorgang auf deren Mikrostruktur und Wärmeleitfähigkeit auswirkte. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wärmeleitfähigkeit von a-SiC mit zunehmender Halsgröße abnahm, was auf eine diffuse Oberflächenstreuung als Ursache hindeutet. Im Gegensatz dazu stieg die Wärmeleitfähigkeit von b-SiC mit der Halsgröße an; dieser Trend stimmt mit den Vorhersagen des Callaway-Holland-Modells zur Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit bei Phononenkristallen überein.

Elektrische Leitfähigkeit

Siliziumkarbid, eine harte chemische Verbindung aus Siliziumdioxid und Kohlenstoff, wird häufig als Schleifmittel in der Edelsteinschleiferei und in der Industrie eingesetzt, beispielsweise beim Schleifen mit Schleifpapier, bei Schleifscheiben, beim Wasserstrahlschneiden und beim Sandstrahlen. Auch bei feuerfesten Auskleidungen, Heizelementen und Brennerdüsen kommt dieses hitzebeständige Material mit einer extrem hohen Mohs-Härte von 9 häufig zum Einsatz. Darüber hinaus ist Siliziumkarbid chemisch inert und beständig gegen Korrosion durch Salzsäure, Schwefelsäure und Flusssäure.

Elektrisch gesehen ist SiC in reinem Zustand typischerweise ein Isolator; mit bestimmten Zusätzen oder Dotierungsmitteln kann es jedoch Halbleitereigenschaften aufweisen, wie beispielsweise n-Leitfähigkeit durch die gemeinsame Nutzung von Elektronenpaaren innerhalb seiner tetraedrischen kovalenten Bindungsstruktur über sogenannte sp³-Hybridorbitale.

SiC-Einkristalle mit einer intrinsischen Leitfähigkeit von etwa 3,1 ± 0,2 eV weisen eine höhere Leitfähigkeit auf als reines Silizium oder Galliumnitrid, was darauf hindeutet, dass sie für elektrische Anwendungen eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit bieten könnten.

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