Struktur und Anwendungen von Siliziumkarbid

Die außergewöhnliche Temperaturstabilität, Haltbarkeit, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Halbleitereigenschaften von Siliciumcarbid machen es zu einem idealen Material für die Leistungselektronik. Außerdem könnte die Dotierung mit Phosphor oder Gallium die Dotierung eines Halbleiterbauelements auf n-Typ-Siliciumcarbid-Basis ermöglichen.

SiC gibt es in verschiedenen Polytypen, die sich durch die Anordnung der Silizium- und Kohlenstoffatome in ihrer Gitterstruktur unterscheiden. Jeder Typ weist unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften auf.

Chemische Zusammensetzung

Siliciumcarbid (SiC) ist eine anorganische chemische Verbindung, die aus Silicium und Kohlenstoff besteht. Siliciumcarbid ist eine der härtesten bekannten Substanzen und konkurriert mit Diamant und Borkarbid als eine der härtesten bekannten Substanzen. Siliciumcarbid wird in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt, u. a. als Schleifmittel und Strukturkeramik; darüber hinaus wird es auch für feuerfeste Auskleidungen, Hochtemperatursteine, Heizelemente sowie verschleißfeste Teile für Pumpen und Raketentriebwerke verwendet.

SiC besitzt eine sehr dichte Atomstruktur, die zu starken kovalenten Bindungen zwischen Silizium- und Kohlenstoffatomen führt, die wiederum starke kovalente Bindungen zwischen den Atomen bilden. Die Atome sind in zwei primären Koordinationstetraedern organisiert, wobei vier Silizium- und vier Kohlenstoffatome durch starke kovalente Bindungen miteinander verbunden sind.

Siliziumkarbid ist in seinem reinen Zustand ein elektrischer Isolator; durch Zugabe von Dotierstoffen wie Bor und Aluminium wird es jedoch zu einem Halbleiter.

Siliciumcarbid kann durch Reaktion verschiedener Rohstoffe in einem Ofen bei hohen Temperaturen hergestellt werden. Nach der Herstellung muss das Material je nach Verwendungszweck weiterverarbeitet werden, z. B. durch Zerkleinern, Mahlen oder chemische Behandlung, bevor es für den vorgesehenen Verwendungszweck geeignet ist.

Siliziumkarbid als Schleifmittel ist aufgrund seiner langen Lebensdauer und seines günstigen Preises eines der am häufigsten verwendeten Materialien in der Lapidarindustrie. Darüber hinaus wird Siliziumkarbid seit langem in industriellen Bearbeitungsprozessen wie Schleifen, Honen und Wasserstrahlschneiden als industrielles Schleifmittel eingesetzt. Darüber hinaus ist Siliciumcarbid aufgrund seiner hohen Festigkeit und Abriebfestigkeit in vielen Bereichen des Bergbaus und der verarbeitenden Industrie von Nutzen, und seine kugelsicheren Eigenschaften machen es zu einem beliebten Bestandteil von kugelsicheren Panzerungen.

Physikalische Eigenschaften

Siliciumcarbid (SiC) ist eine extrem harte, synthetisch hergestellte Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff, die im späten 19. Jahrhundert erstmals in großen Mengen hergestellt wurde und seitdem rasch industrielle Anwendungen fand. Zunächst als Schleifmittel eingesetzt, entwickelte sich SiC bald zu einer feuerfesten Auskleidung von Industrieöfen sowie zu verschleißfesten Komponenten in Pumpen und Raketentriebwerken. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner überragenden Wärmeleitfähigkeit und seiner geringen Wärmeausdehnung eine unschätzbare Materialwahl für elektronische Komponenten wie Halbleiter und Leuchtdioden - neben vielen anderen Anwendungen mehr als je zuvor!

Die große Bandlücke von Siliziumkarbid ermöglicht es den Elektronen, sich schneller durch das Material zu bewegen als in Silizium. Dadurch ist es ideal für eine schnellere Elektronenbeweglichkeit, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, einen hohen Schmelzpunkt und Festigkeit bei hohen Temperaturen - Eigenschaften, die dieses Material für zahlreiche anspruchsvolle Anwendungen wünschenswert machen.

Aufgrund seiner chemischen Inertheit, seines hohen Schmelzpunkts, seiner hohen Temperaturbeständigkeit und seines niedrigen Ausdehnungskoeffizienten eignet sich Aluminium sehr gut für den Werkzeug- und Maschinenbau. Aluminium ist auch der Hauptbestandteil vieler Schleifmittel und ein wesentlicher Bestandteil vieler feuerfester Materialien.

Die Kombination aus Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Steifigkeit macht Siliziumkarbid zu einem ausgezeichneten Material für große optische Teleskope wie die Spiegel des Herschel Space Telescope. Darüber hinaus eignet sich Siliziumkarbid aufgrund seiner Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit auch für Teilsysteme von Raumfahrzeugen, die hohen Temperaturen oder Strahlungsbelastungen standhalten müssen.

Chemische Reaktionen

Siliciumcarbid ist ein hartes Material mit bemerkenswerten physikalischen und chemischen Eigenschaften. Es besteht aus Silizium- und Kohlenstoffatomen, die in einer geordneten Gitterstruktur angeordnet sind, und seine außergewöhnliche Festigkeit und thermische Stabilität tragen zu seiner industriellen Herstellung durch Reduktion von Siliziumdioxid mit Kohlenstoff bei hohen Temperaturen in einem Elektroofen bei. Reines Siliciumcarbid ist in der Regel farblos; verunreinigte Versionen erscheinen jedoch oft als bläulich-schwarzes oder bräunliches Pulver, da es durch Eisenverunreinigungen oder andere Verunreinigungen verunreinigt ist.

Aluminium ist ein extrem starkes und widerstandsfähiges Material, das bei der Herstellung von Schleifmitteln, Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen, Automobilteilen, feuerfesten Steinen, Heizelementen und Hochtemperaturkeramik verwendet wird. Aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Reaktionen, seiner geringen Wärmeausdehnung und seiner Fähigkeit als Halbleiterelement ist es ein ausgezeichnetes Material für Anwendungen in der Leistungselektronik.

Siliciumcarbid kann auch längerer Wassereinwirkung standhalten, ohne sich zu zersetzen, was es zu einem ausgezeichneten Material für Bauteile macht, die in Flüssigkeiten wie Kühlflüssigkeiten oder Luft eingetaucht bleiben müssen. Es ist jedoch zu beachten, dass Siliziumkarbid bei höheren Temperaturen mit Wasserstoffgas reagiert und dabei Siliziumdioxid und Methan bildet. Dies geschieht, weil seine tetraedrische Struktur bei höheren Temperaturen Wasserstoffmolekülen ausgesetzt ist, die sich mit den Sauerstoffmolekülen der Atmosphäre verbinden und Wasserdampf bilden, der auf seiner Oberfläche sichtbar ist.

Herstellung

Siliziumkarbid unterscheidet sich von vielen anderen häufig verwendeten Materialien dadurch, dass es hergestellt werden muss. Siliciumcarbid ist eine der härtesten Substanzen, die der Mensch kennt, und das Schneiden von Siliciumcarbid erfordert diamantbestückte Klingen. Leider ist der Herstellungsprozess von Siliziumkarbid sehr komplex und muss daher verbessert werden, um mit der steigenden Nachfrage Schritt zu halten.

Das Acheson-Verfahren ist eines der am häufigsten angewandten Herstellungsverfahren, bei dem Siliciumdioxid und Koks gemischt werden, bevor sie auf hohe Temperaturen erhitzt werden und chemisch miteinander reagieren, wobei hellgrüne Kristalle entstehen, die groß genug sind, um gesehen zu werden, bevor das Gemisch abgekühlt wird, um dieses Wachstum zu stoppen und das Kristallwachstum ganz zu beenden. Nach dem Abkühlen kann diese Pulvermischung dann mit nichtoxidischen Sinterhilfsmitteln (Bindemitteln) kombiniert werden, um sie durch isostatisches Kaltpressen oder Strangpressen zu verdichten.

Siliziumkarbid unterscheidet sich von anderen keramischen Werkstoffen durch seine große Bandlücke - die den Energieunterschied misst, der erforderlich ist, damit Elektronen aus dem Valenzband eines Atoms in sein Leitungsband springen können -, wodurch es wesentlich höheren Spannungen und Frequenzen standhalten kann als konkurrierende Materialien.

Siliciumcarbid ist ein idealer Werkstoff für Halbleiterelektronik, die eine Widerstandsheizung in rauen Umgebungen erfordert, z. B. für Pumpenlager, Pumpenlager, Sandstrahlinjektoren, Matrizen und Heizelemente. Aufgrund seiner Festigkeit, Härte und Haltbarkeit ist Siliziumkarbid auch ein ausgezeichnetes Material für Pumpenlager, Pumpenlager, Sandstrahleinspritzdüsen, Matrizen und Heizelemente - nicht zu vergessen die Dotierung mit Aluminium, Bor oder Gallium zur Herstellung von p-Typ halbleitendem Siliziumkarbid, das aktive Kühlsysteme reduzieren könnte, die beim Einbau in Elektrofahrzeuge zusätzliches Gewicht und zusätzliche Komplexität bedeuten würden - ein Beitrag zur Gewichtseinsparung bei gleichzeitiger Erhöhung der Komplexität!