Was ist Siliziumkarbid?

Siliziumkarbid ist ein extrem hartes und festes Material mit hoher Dichte, außergewöhnlicher Korrosionsbeständigkeit und hervorragenden tribologischen Eigenschaften. Erhältlich sowohl in gesinterter als auch in reaktionsgebundener Form.

Das drucklose Sintern bietet eine hohe Verdichtung durch die Verringerung der Oberflächenenergie der Körner aufgrund der Reaktion von Bor und Kohlenstoff1, aber die hohe Temperatur führt zu übermäßigem Kornwachstum, das die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt.

Stärke

Siliciumcarbid, gemeinhin als Karborund bezeichnet, ist eine harte chemische Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff, die in der Natur in seltenen Mineralien wie Moissanit vorkommt; üblicherweise wird es jedoch in Form von Pulver und Granulat in Massenproduktion hergestellt und als Schleifmittel und Keramikplatten in kugelsicheren Westen verwendet. Carborundum hält hohen Temperaturen stand und ist gleichzeitig chemisch beständig - auch gegen Säuren wie Phosphor-, Schwefel- und Salpetersäure.

Gesintertes Siliciumcarbid findet aufgrund seiner bemerkenswerten Wärmedämmungseigenschaften in vielen Branchen, von der Luft- und Raumfahrt bis zur Astronomie, breite Anwendung. Gesintertes Siliciumcarbid als feuerfestes Material zeichnet sich außerdem durch eine beeindruckende Haltbarkeit aus und kann mit teuren Maschinen präzise bearbeitet werden, so dass es präzise Toleranzen aufweist.

Siliciumcarbidkeramik gibt es in zwei Varianten: reaktiv gebundenes und gesintertes Siliciumcarbid. Reaktiv gebundenes Siliciumcarbid wird hergestellt, indem Presslinge aus SiC und Kohlenstoff mit flüssigem Silicium infiltriert werden, wodurch mehr SiC entsteht, das sich mit den ursprünglichen Partikeln verbindet und mehr reaktionsgebundene Siliciumcarbidpartikel bildet, die leichter haften als ihre gesinterten Gegenstücke, aber aufgrund der geringeren Festigkeit und Härte kostengünstiger bleiben.

Gesintertes Siliciumcarbid wird durch Erhitzen von Rohstoffen auf extrem hohe Temperaturen in einer inerten Atmosphäre hergestellt, wodurch ein extrem widerstandsfähiges Material entsteht, das in verschiedenen Anwendungen wie Verschleißteilen für Sandpumpen und Zyklonen im Bergbau eingesetzt werden kann. Außerdem zeichnet es sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und eine geringe Wärmeausdehnung aus.

Härte

Reaktionsgebundenes Siliciumcarbid (RSiC) wird durch Pressen und Sintern (Erhitzen) von Pulverteilchen hergestellt, wodurch ein festes Stück Material mit hoher Festigkeit, Härte, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit entsteht - allerdings nicht so hart wie gesintertes Siliciumcarbid.

Gesintertes Siliciumcarbid ist eine technische Keramik mit starken kovalenten Bindungen, die hervorragende mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen aufweist. Dieses Material zeichnet sich durch große Härte und Verschleißfestigkeit sowie Beständigkeit gegen chemische Korrosion, Oxidation und Wärmeschock aus und verfügt über eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit, was es für den Einsatz in rauen Umgebungen geeignet macht.

Beim Flüssigphasensintern entstehen hochreine Werkstoffe mit einer gleichmäßigen Mikrostruktur, die kompakter ist als beim Festkörpersintern. Die Größenänderungen während der Verdichtung sind minimal; es können präzise Teile mit komplexen Formen hergestellt werden. Sinteradditive aus Bor und Kohlenstoff können die Korngrenzenenergien und Oberflächenenergien verändern und gleichzeitig die Volumendiffusionsraten verbessern und die Glasbildung zwischen den Körnern begrenzen.

Die Ergebnisse des Festkörpersinterns weisen eine höhere Druckkriechfestigkeit auf als ihre konventionellen Gegenstücke, was auf eine Erhöhung der kinetischen Energie des kristallinen Siliziums und eine Beschleunigung der Versetzungsbewegung innerhalb der körnigen Bereiche sowie auf eine Erhöhung der metallischen Siliziumkonzentration zurückzuführen ist, die zur Verringerung der Kriechraten beiträgt, indem sie die Diffusion von SiC über die Korngrenzen verlangsamt.

Korrosionsbeständigkeit

Siliziumkarbid bietet eine hervorragende Beständigkeit gegen Korrosion, Oxidation und Verschleiß - Eigenschaften, die es zu einem geeigneten Material für raue Umgebungen machen, in denen andere Materialien mit der Zeit versagen könnten. Darüber hinaus kann Siliziumkarbid Temperaturen von bis zu 1.900 Grad Celsius standhalten, was es für die chemische Verarbeitung geeignet macht, wo Geräte mit stark säurehaltigen Chemikalien und Gasen in Kontakt kommen können, die schneller als erwartet korrodieren.

Sowohl festgesintertes Siliciumcarbid (SSiC) als auch siliciuminfiltrierte Siliciumcarbidkeramiken haben sich in verschiedenen chemischen Lösungen als stabil erwiesen, wobei letztere aufgrund des freien Siliciums eine geringere Korrosionsstabilität aufweisen. Um diese Mechanismen zu erforschen, haben wir sowohl Kurzzeit- als auch Langzeit-Korrosionsexperimente mit SiSiC in NaOH-Lösung durchgeführt und dabei sowohl genaue Messungen der Korrosionstiefe auf polierten Oberflächen als auch Rasterelektronenmikroskopie an den Korrosionsprodukten durchgeführt.

Reaktionsgebundenes Siliciumcarbid (RBSiC) wird hergestellt, indem flüssiges Silicium in poröse Kohlenstoff- oder Graphitvorformlinge infiltriert wird und zu SiC reagiert. RBSiC unterscheidet sich von seinem teureren SSiC-Pendant in mehrfacher Hinsicht: Zum einen hat es eine geringere Festigkeit und Härte, ist aber in der Herstellung deutlich billiger und durchlässiger für Gase und Flüssigkeiten; es zeichnet sich außerdem durch eine gute Abrieb-, Korrosions- und Temperaturwechselbeständigkeit aus, so dass es in Anwendungen wie Brennerdüsen oder Strahl- und Flammrohren eingesetzt werden kann; schließlich weist es auch eine gute Temperaturwechselbeständigkeit auf, so dass schnelle Temperaturwechsel ohne Beeinträchtigung möglich sind.

Wärmeleitfähigkeit

Gesintertes Siliciumcarbid weist eine der höchsten Wärmeleitfähigkeiten unter den nichtoxidischen keramischen Werkstoffen auf und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen hohe Temperaturen herrschen, wie z. B. bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) von SiC oder bei reaktionsgebundenen Siliciumcarbidanwendungen.

Seine kristalline Struktur in der Nähe des Kerns trägt zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit bei und sorgt so für eine hohe thermische Leistungsfähigkeit der Keramik. Dieses Material ist in der Lage, hohen Temperaturbelastungen mit geringer Beschädigung und Beständigkeit gegen Korrosion, Oxidation und Ermüdung standzuhalten und eignet sich daher hervorragend für Pumpendichtungen, da es über einen längeren Zeitraum druck- und temperaturbeständig bleibt.

Dieser Keramiktyp zeichnet sich auch durch seine hohe Zähigkeit aus, d. h. er kann Stößen und Vibrationen besser widerstehen als andere Keramikmaterialien. Darüber hinaus gehören ihre Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit zu den höchsten in ihrer Kategorie.

Das Flüssigphasensintern (Liquid Phase Sintering, LPS) ist ein innovatives Verfahren zur Verdichtung von Siliciumcarbid, bei dem eutektische Oxid-Sinteradditive verwendet werden, um bei niedrigeren Temperaturen als traditionell üblich zu verdichten und so Produktionskosten zu sparen und gleichzeitig die Porosität des Endprodukts zu verringern.

HRTEM-Bilder von LPS-SiC-Proben mit verschiedenen Sinteradditiven zeigen, wie eine erhöhte Zugabe von Additiven die Verteilung der flüssigen Phase zwischen den SiC-Körnern ausgleicht, was zu einer Verdichtung, einer höheren relativen Dichte und einem verbesserten elektrischen Widerstand führt - Eigenschaften, die für Anwendungen im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich entscheidend sind.