Siliciumcarbid

Strukturformel
Vorlage:Strukturformel nicht vorhanden
Allgemeines
Name	Siliciumcarbid
Andere Namen	Karborund Siliziumcarbid
Summenformel	SiC
CAS-Nummer	409-21-2
Kurzbeschreibung	farblose , hexagonale und rhomboedrische Kristalle (Reinstform)
Eigenschaften
Molmasse	40,097 g/mol
Aggregatzustand	fest
Dichte	3,22 g/cm³
Schmelzpunkt	Zersetzung und Sublimation bei 3070°C (Punkt schwierig zu messen)
Siedepunkt	existiert nicht
Dampfdruck	es gibt keine SiC-Dampfmoleküle
Löslichkeit	unlöslich in Wasser, löslich in einigen Metallschmelzen (z.B. Ni, Fe)
Sicherheitshinweise
?
R- und S-Sätze	R: S: 26, 37/39
MAK	-
Vorlage:SI-Chemikalien

Siliciumcarbid (Trivialname: Karborund; andere Schreibweisen: Siliziumcarbid und Siliziumkarbid) ist eine chemische Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff. Die chemische Formel ist SiC.

Eigenschaften

Der Stoff ist im Aufbau und den Eigenschaften ähnlich zu Diamant, da sich Silicium und Kohlenstoff in derselben Hauptgruppe und benachbarten Perioden des Periodensystems befinden und die Atomdurchmesser ähnlich sind (der von Silicium ist größer). Jedes Silicium-Atom ist durch Atombindungen mit vier Kohlenstoff-Atomen verknüpft und umgekehrt. Eine Besonderheit von SiC ist der Polytypismus: es existiert in vielen verschiedenen Phasen, die sich in ihrer atomaren Struktur unterscheiden. Die sogenannte kubische Phase beta-SiC (aufgrund ihrer abc-Schichtenfolge auch 3C genannt) kristallisiert in einer Zinkblende-Struktur, die mit der von Diamant verwandt ist. Sehr seltenes, natürlich vorkommendes Siliciumkarbid wird Moissanit genannt und ist Diamanten in vielfältiger Hinsicht zum Verwechseln ähnlich. Die anderen Polytypen besitzen eine hexagonale oder rhomboedrische Struktur, wobei die hexagonalen Typen insgesamt am häufigsten auftreten. In ihrer reinsten Form ist die hexagonale Struktur (auch alpha-SiC genannt) Wurtzit-artig, und wird aufgrund der ab-Schichtenfolge auch als 2H bezeichnet. Häufiger anzutreffen und technologisch am bedeutsamsten sind die Polytypen 4H und 6H (Schichtenfolge abcb und abcacd), die eine Mischung aus dem rein hexagonalen 2H-Polytyp und dem rein kubischen Polytyp 3C darstellen. Dabei befinden sich eingebettet zwischen zwei hexagonalen Schichten eine (4H) bzw. zwei (6H) kubische Schichten.

Hochreines Siliciumcarbid ist farblos. Technisches Siliciumcarbid ist schwarz-grün und nimmt mit zunehmender Reinheit Farbtöne bis flaschengrün an. Seine Dichte beträgt 3,217 g/cm³.

Siliciumcarbid ist auch bei Temperaturen über 800 °C gegen Sauerstoff relativ oxidationsbeständig durch Bildung einer passivierenden Schicht aus Siliciumdioxid (SiO_{2_{, „passive Oxidation“). Bei Temperaturen oberhalb von ca. 1600 °C und gleichzeitigem Sauerstoffmangel (Partialdruck unter ca. 50 mbar) bildet sich nicht das glasige SiO_{2_{, sondern das gasförmige SiO; eine Schutzwirkung ist dann nicht mehr gegeben, und das SiC wird rasch verbrannt („aktive Oxidation“).}}}}

Es zeigt eine hohe Härte von 9,6 (Mohs) und 2600 (Vickers, Knoop), gutes Wärmeleitvermögen (reines SiC ca. 350 W/(m K) technisches SiC ca. 100-140 W/(m K), je nach Herstellungsverfahren) und Halbleiter-Eigenschaften. Die Bandlücke liegt dabei mit 2,4 eV (3C-SiC) - 3,3 eV (2H-SiC) zwischen der von Silizium (1,1 eV) und der von Diamant (5,5 eV).

In Schutzgas oder Vakuum kann es nicht zum Schmelzen gebracht werden, sondern es zersetzt sich: nach älteren Daten bei ca. 2700 °C (1986) oder 2830 °C (1988), nach neueren Daten (1998) allerdings erst bei 3070 °C.

Herstellung

Acheson-Verfahren

Große Becken werden zentrisch mit einer Kohlenstoffsehle versehen. Rundherum wird Quarzsand, vermischt mit Sägemehl und geringen Mengen an NaCl, geschichtet. An die Kohlenstoffsehle werden Elektroden angebracht. Durch die elektrische Spannung bildet sich hexagonales alpha-SiC. Sägemehl, um zusätzlichen Kohlenstoff einzubringen. Salz, zu chemischen Reinigung von Schwermetallen, als gasförmige Chloride.

$SiO_{2}+3C\longrightarrow \alpha -SiC+2CO$

CVD-Verfahren

chemical vapor deposition Einsatz in der Oberflächenbeschichtung Rohstoffe bilden Carbosilane mit folgender Grundformel:

$C_{n}H_{2n+1}Si_{n}Cl_{2n+1}$

Dabei ist darauf zu achten, dass die Stoffe Sinnvollerweise Gasförmig sein sollten, bzw. bei leicht erhöhten Temperasturen gäasförmig sein sollten. Es bildet sich beta-SiC und HCl, näheres unter CVD

Anwendung in der Technik

In der Technik findet Siliciumcarbid aufgrund seiner Härte und des hohen Schmelzpunktes Anwendung als Schleifmittel (siehe Carborundum) und als Komponente für Feuerfeststoffe. Große Mengen an weniger reinem SiC werden als "metallurgisches" SiC zur Legierung von Gusseisen mit Si und Kohlenstoff verwendet. Anwendung auch als Isolator von Brennelementen in Hochtemperatur-Kernreaktoren. Ebenso dient es in Mischung mit anderen Materialien als Hartbetonzuschlagsstoff, um Industrieböden abriebfest zu machen. In der Ingenieurkeramik stellt SiC aufgrund seiner vielfältigen Eigenschaften einen der am häufigsten verwendeten Werkstoffe dar.

Siliciumcarbid als Halbleitermaterial

SiC wird für Varistoren, blaue LEDs, ultraschnelle Schottky-Dioden, JFET-Feldeffekttransistor und elektronische Schaltkreise und Sensoren, die hohe Temperaturen oder hohe Dosen ionisierender Strahlung aushalten müssen, benutzt. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit wird SiC auch als Substrat für andere Halbleitermaterialen verwendet.

Technische Siliciumkarbide/SiC-Keramiken

Die oben genannten typischen Eigenschaften kommen bei den Werkstoffvarianten unterschiedlich stark zum Tragen. Je nach Herstellungstechnik muss bei Siliciumkarbidkeramiken zwischen artfremdgebundenen und arteigengebundenen Keramiken unterschieden werden, sowie zwischen offenporöser und dichter Keramik:

Offenporige Siliciumkarbidkeramiken
- Silikatisch gebundenes Siliciumkarbid
- Rekristallisiertes Siliciumkarbid (RSiC)
- Nitrid- bzw. oxynitridgebundenes Siliciumkarbid (NSiC)

Dichte Siliciumkarbidkeramiken
- Reaktionsgebundenes, siliciuminfiltriertes Siliciumkarbid (SiSiC)
- Gesintertes Siliciumkarbid (SSiC)
- Heiß (isostatisch) gepresstes Siliciumkarbid (HpSiC, HipSiC)
- Flüssigphasengesintertes Siliciumkarbid (LPSiC)

Art und Anteil der Bindungsarten sind entscheidend für die jeweiligen charakteristischen Eigenschaften der Siliciumkarbidkeramiken.

Silikatisch gebundenes Siliciumkarbid

Silikatisch gebundenes Siliciumkarbid wird aus groben und mittelfeinen SiC-Pulvern hergestellt und mit ca. 5 bis 15 % aluminosilikatischer Bindematrix unter Luftatmosphäre gebrannt. Die Festigkeiten, Korrosionsbeständigkeiten und vor allem die Hochtemperatureigenschaften werden durch die silikatische Bindematrix bestimmt und liegen daher unterhalb der nichtoxidisch gebundenen SiC-Keramiken. Bei sehr hohen Einsatztemperaturen beginnt die silikatische Bindematrix zu erweichen, der Werkstoff verformt sich unter Last bei hohen Temperaturen. Vorteil ist sein vergleichsweise geringer Herstellungsaufwand.

Typische Anwendung findet dieser Werkstoff überall dort, wo Mengen und eine kostengünstige Herstellung ausschlaggebend sind, z. B. als Tellerkapsel beim Porzellanbrand.

Rekristallisiertes Siliciumkarbid (RSiC)

RSiC ist ein reiner Siliciumkarbidwerkstoff mit ca. 11 bis 15 % offener Porosität. Diese Keramik wird bei sehr hohen Temperaturen von 2300 bis 2500 °C gebrannt, wobei sich ein Gemisch aus feinstem und grobem Pulver schwindungsfrei zu einer kompakten SiC-Matrix umwandelt. Bedingt durch seine offene Porosität hat das RSiC im Vergleich zu den dichten Siliciumkarbidkeramiken geringere Festigkeiten.

RSiC zeichnet sich infolge seiner Porosität durch eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit aus. Die schwindungsfreie Brenntechnik erlaubt analog zum SiSiC die Herstellung großformatiger Bauteile, die vorwiegend als hoch belastbare Brennhilfsmittel (Balken, Rollen, Platten etc.) z. B. beim Porzellanbrand eingesetzt werden. Bedingt durch seine offene Porosität ist diese Keramik nicht dauerhaft oxidationsbeständig und unterliegt als Brennhilfsmittel oder auch als Heizelement einer gewissen Korrosion. Die maximale Anwendungstemperatur liegt bei rund 1600 °C.

Nitridgebundenes Siliciumkarbid (NSiC)

NSiC ist ein poröser Werkstoff, mit 10 bis 15 % Porosität und davon 1 bis 5 % offener Porosität, der schwindungsfrei hergestellt wird, indem ein Formkörper aus SiC-Granulat und Si-Metallpulver in einer Stickstoffatmosphäre bei ca. 1400 °C nitridiert. Dabei wandelt sich das anfänglich metallische Silicium zu Siliciumnitrid um und bildet damit eine Bindung zwischen den SiC-Körnern aus. Anschließend wird das Material oberhalb 1200 °C einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt. Das bewirkt die Entstehung einer dünnen Oxidationsschutzschicht in Form einer Glasschicht an der Oberfläche.

Die Siliciumnitridmatrix bewirkt, dass Werkstücke aus NSiC durch Nichteisenmetall schmelzen schlecht benetzbar sind. Wegen seiner gegenüber RSiC geringeren Porengröße weist NSiC eine deutlich höhere Biegebruchfestigkeit sowie eine bessere Oxidationsbeständigkeit auf und unterliegt aufgrund seiner besseren Oberflächenbeständigkeit keiner Verformung über die Einsatzdauer hinweg. Dieser Werkstoff ist hervorragend als hoch belastbares Brennhilfsmittel bis 1500 °C geeignet.

Der Werkstoff zeichnet sich auch durch seine feinkörnige Matrix und dadurch, dass er praktisch porenfrei ist, durch sehr hohe Festigkeit und hohe Bruchzähigkeit aus.

LPSiC liegt somit von den mechanischen Eigenschaften her gesehen zwischen dem SSiC und Siliciumnitrid.

Reaktionsgebundenes siliciuminfiltriertes Siliciumkarbid (SiSiC)

SiSiC besteht zu ca. 85 bis 94 % aus SiC und entsprechend aus 15 bis 6 % metallischem Silicium. SiSiC besitzt praktisch keine Restporosität. Dies wird erreicht, indem ein Formkörper aus Siliciumkarbid und Kohlenstoff mit metallischem Silizium infiltriert wird. Die Reaktion zwischen flüssigem Silicium und dem Kohlenstoff führt zu einer SiC-Bindungsmatrix, der restliche Porenraum wird mit metallischem Silicium aufgefüllt. Vorteil dieser Herstellungstechnik ist, dass im Gegensatz zu den Pulversintertechniken die Bauteile während des Silizierungsprozesses keine Schwindung erfahren. Daher können außerordentlich große Bauteile mit präzisen Abmessungen hergestellt werden. Der Einsatzbereich des SiSiC ist aufgrund des Schmelzpunktes des metallischen Siliciums auf ca. 1400 °C begrenzt. Bis zu diesem Temperaturbereich weist SiSiC hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, verbunden mit guter Temperaturwechselbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit auf. SiSiC ist daher prädestiniert als Werkstoff für hoch belastete Brennhilfsmittel (Balken, Rollen, Stützen etc.) und verschiedenste Brennerbauteile für direkte und indirekte Verbrennung (Flammrohre, Rekuperatoren und Strahlrohre).

Es findet aber auch im Maschinenbau bei hoch verschleißfesten und korrosionsbeständigen Bauteilen (Gleitringdichtungen) Anwendung.

Drucklos gesintertes Siliciumkarbid (SSiC)

SSiC wird aus gemahlenem SiC-Feinstpulver hergestellt, das mit Sinteradditiven versetzt, in den keramiküblichen Formgebungsvarianten verarbeitet und bei 2000 bis 2200 °C unter Schutzgas gesintert wird. Neben feinkörnigen Varianten im Mikrometerbereich sind auch grobkörnige mit Korngrößen bis 1,5 mm erhältlich. SSiC zeichnet sich durch hohe Festigkeiten aus, die bis zu sehr hohen Temperaturen (ca. 1600 °C) nahezu konstant bleibt.

Dieser Werkstoff weist eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber sauren und basischen Medien auf, denen er ebenfalls bis zu sehr hohen Temperaturen standhalten kann. Diese Eigenschaften werden durch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Verschleißbeständigkeit und eine diamantähnliche Härte ergänzt.

Das SSiC ist daher für Anwendungen mit extremen Ansprüchen prädestiniert, z. B. für Gleitringdichtungen in Chemiepumpen, Gleitlagern, Hochtemperaturbrennerdüsen oder auch Brennhilfsmittel für sehr hohe Anwendungstemperaturen. Die Verwendung von SSiC mit Grafiteinlagerungen steigert die Leistung von Tribosystemen.

Heiß gepresstes Siliciumkarbid (HPSiC)

Heiß gepresstes Siliciumkarbid (HPSiC) sowie heiß isostatisch gepresstes Siliciumkarbid (HIPSiC) weisen gegenüber dem drucklos gesinterten SSiC sogar noch höhere mechanische Kennwerte auf, da die Bauteile durch die zusätzliche Anwendung von mechanischen Pressdrücken bis zu ca. 2000 bar während des Sintervorganges nahezu porenfrei werden. Die axiale (HP) bzw. die isostatische (HIP) Presstechnik beschränkt die zu fertigenden Bauteile auf relativ einfache bzw. kleine Geometrien und bedeutet zusätzlichen Aufwand gegenüber dem drucklosen Sintern. HPSiC bzw. HIPSiC finden daher ausschließlich Anwendung in Bereichen extremster Beanspruchung.

Flüssigphasengesintertes Siliciumkarbid (LPSiC)

LPSiC ist ein dichter Werkstoff, der SiC und eine oxinitridische SiC-Mischphase sowie eine oxidische Sekundärphase enthält. Der Werkstoff wird aus Siliciumkarbidpulver und variierenden Mischungen von oxidkeramischen Pulvern, oft auf der Basis von Aluminiumoxid, hergestellt. Dabei sind die oxidischen Bestandteile für die gegenüber SSiC etwas höhere Dichte verantwortlich. Die Bauteile werden in einem Drucksinterverfahren bei einem Druck von 20–30 MPa und einer Temperatur von über 2000 °C verdichtet.

Verbundwerkstoffe

Die Entwicklung kohlenfaserverstärkter Siliciumkarbidkeramik (Ceramic Matrix Composites (CMC)) durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart hat zu neuartigen Hitzeschutzkacheln für Raumfahrzeuge geführt. Der letzte große Praxistest für dieses Material und andere faserverstärkte Keramiken fand bei dem europäischen Projekt Shefex (Sharp Edge Flight EXperiment) 2005 in Norwegen statt. Der gleiche Werkstoff findet inzwischen auch Verwendung als Bremsscheibenmaterial in hochpreislichen Sportwagen.

Weblinks