Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid

Siliciumcarbid oder Karborund () ist eine harte Keramik, die erstmals 1893 in Massenproduktion für die Verwendung als Schleifmittel hergestellt wurde. Es gibt zwar auch natürliche Vorkommen (Moissanit-Edelsteine und kleine Mengen in Form eines Eruptivgesteins namens Korund), aber der größte Teil der heutigen Verwendung erfolgt synthetisch.

SiC ist dafür bekannt, dass es eine hohe Ermüdungsfestigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Dadurch eignet es sich für die Herstellung von Bauteilen, die hohen Temperaturen standhalten und gleichzeitig in korrosiven Umgebungen stabil bleiben.

Thermophysikalische Eigenschaften

Siliziumkarbid ist eines der wenigen Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Aufgrund seiner harten, starren und temperaturstabilen Beschaffenheit eignet sich Siliziumkarbid hervorragend für die Verwendung in Teleskopspiegeln, die von Astronomen genutzt werden.

Die Dichtefunktionaltheorie wurde für systematische theoretische Untersuchungen der Strukturparameter und der thermophysikalischen Eigenschaften von kubischem Siliciumcarbid (3C-SiC) bei endlicher Temperatur verwendet. Unsere Ergebnisse bezüglich der elastischen Konstanten und der Knoop-Mikrohärte zeigten eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit experimentellen Daten sowie mit berechneten Ergebnissen, die an anderer Stelle veröffentlicht wurden.

Durch die Verwendung optimierter Strukturmodelle haben wir auch Schätzungen der Defektbildungsenergien auf atomarer Ebene für ZrC, TiC und SiC erhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Debye-Temperatur mit zunehmender Anzahl von Defektatomen abnimmt, während CZr-Antisit- und VC-Defekte niedrigere Bildungsenergien aufweisen als ihre Gegenstücke VSi- und Sit-Defekte; ihre Verringerung der Bildungsenergie kann sich auf die Widerstandsfähigkeit von 3C-SiC-Strukturen gegen einachsige und Scherverformung auswirken.

Elektrische Eigenschaften

Siliciumcarbid ist eines der härtesten und wärmeleitfähigsten Materialien, die in der Natur vorkommen. Es widersteht sowohl Säuren als auch Laugen und ist hitzebeständig bis zu 1600 Grad Celsius ohne Festigkeitsverlust. Außerdem ist Siliciumcarbid ein ausgezeichneter elektrischer Leiter.

Aufgrund seiner großen Bandlücke eignet sich Siliziumkarbid für den Einsatz in Halbleiterbauelementen wie Dioden, Transistoren und Thyristoren, während seine Fähigkeit, großen Spannungen und Strömen standzuhalten, es auch für Hochleistungsgeräte nützlich macht.

Poröses SiC kann durch Zugabe von Graphen-Nanoplättchen (GNP) verändert werden, wodurch ein Material mit verbesserten thermischen Eigenschaften entsteht. Dieses Material kann durch Flüssigphasen-Funkenplasmasintern von stöchiometrischem oder nicht-stöchiometrischem SiC-Pulver hergestellt werden; verschiedene Kombinationen von Sinterhilfsmitteln (Y2O3 und La2O3) wurden getestet, um ihre Auswirkungen auf die Phasenzusammensetzung, die Mikrostruktur und die Wärmeleitfähigkeit von porösen Materialien mit einem GNP-Gehalt von bis zu 20 Vol.% zu bewerten; bei Verbundwerkstoffen mit einem GNP-Gehalt von bis zu 20% wurde eine nicht-monotone Temperaturabhängigkeit beobachtet.

Mechanische Eigenschaften

Die einzigartige Zusammensetzung von Silizium- und Kohlenstoffatomen in seinem Kristallgitter verleiht SiC bemerkenswerte mechanische Eigenschaften, die es zu einem der zähesten und härtesten keramischen Werkstoffe machen. Hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Säuren, Laugen und geschmolzenen Salzen sowie Abrieb, Steifigkeit und Festigkeit machen SiC zu einem attraktiven Werkstoff für verschleißfeste Komponenten wie Schleifscheiben oder Bohrer in Mühlen, Expandern oder Extrudern.

Keramik ist nicht nur leicht, sondern weist auch eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit auf - es kann Temperaturen von bis zu 1600 Grad Celsius standhalten, ohne seine mechanischen Eigenschaften oder seine thermische Ausdehnung zu verlieren, wobei niedrige thermische Ausdehnungsraten und ein außergewöhnlich hoher Elastizitätsmodul für Formstabilität sorgen.

Die Porosität poröser SiC-Keramiken variiert je nach Herstellungsverfahren (Reaktionsbindung oder gesintert). Studien haben gezeigt, dass sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die Biegefestigkeit mit steigendem B4C-Gehalt zunehmen, da B4C in der Lage ist, Sauerstoff aus der Si-C-Matrix zu adsorbieren und damit die Phononenstreulänge zu verringern.

Anwendungen

Siliciumcarbid wird in der Fertigung sowohl als Schleifmittel als auch als Schneidwerkzeug verwendet. Aufgrund seiner harten und hitzebeständigen Oberfläche wird Siliziumkarbid auch als elektronischer Halbleiter in Dioden und Transistoren verwendet, da seine Spannungstoleranz die von Silizium übertreffen kann.

Die Härte, Korrosionsbeständigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid machen es zu einem hervorragenden Material für Schutzausrüstungen wie Helme und Panzerplatten. Darüber hinaus reagiert es aufgrund seiner chemischen Inertheit nicht mit Wasser, was es ideal für den Einsatz in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit macht, wie z. B. in Raumschiffen und auf See.

Rekristallisiertes Siliciumcarbid (RSiC) bietet eine unübertroffene Mischung aus mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften als alle anderen SiC-Varianten. Seine dichte Mikrostruktur verleiht RSiC einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, während es auch bei hohen Temperaturen seine Festigkeit und Steifigkeit beibehält. Darüber hinaus weist es relativ höhere Elastizitätsmodulwerte als strukturelle Zirkoniumdioxidkeramik auf und hat im Vergleich zu struktureller Zirkoniumdioxidkeramik niedrige Wärmeausdehnungskoeffizientenwerte.