Die hohe Schmelztemperatur von Siliziumkarbid

Siliziumkarbid ist eine extrem harte und feste Nicht-Oxid-Keramik mit hervorragenden Hochtemperatureigenschaften, die in zahlreichen Branchen für anspruchsvolle Anwendungen weit verbreitet ist.

Die fraktografische Untersuchung der in Argon bei 1500–2100 °C getesteten Proben ergab, dass lediglich die äußerste Schicht oxidiert war; nur deren Oxidschicht enthielt verformte und langgestreckte Borkörner, die von WO₃-Whiskern umgeben waren.

Thermodynamik

Siliziumkarbid (SiC) ist ein inertes Keramikmaterial, das sich durch zahlreiche wünschenswerte industrielle Eigenschaften auszeichnet. Dazu zählen hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit – außerdem ist es säure- und alkalibeständig und hält Temperaturen von bis zu 1600 °C stand.

SiC kann je nach Dotierungsgrad und Zusammensetzung entweder als elektrischer Isolator oder als Halbleiter fungieren. Eine Dotierung mit Stickstoff oder Phosphor führt zu einer n-Leitfähigkeit, während eine Dotierung mit Bor, Gallium oder Aluminium eine p-Leitfähigkeit erzeugen kann.

Siliziumkarbid findet heute breite Anwendung in Branchen, die von der Stahlproduktion, der Wärmebehandlung von Metallen, der Floatglasherstellung und der Fertigung von Keramik- und Elektronikkomponenten bis hin zu Verbundpanzerungen (wie beispielsweise Chobham-Panzerung) und der Herstellung von kugelsicheren Westen reichen.

SiC schmilzt in Abhängigkeit sowohl vom Druck als auch von der Temperatur, wobei seine Schmelztemperatur von beiden Variablen bestimmt wird. Bei niedrigen Drücken zeigt sein Phasendiagramm ein inkongruentes Schmelzverhalten, das als Gleichgewichtsgemisch aus kubischem 3C-Kristall und hexagonalem 6H-Kristall auftritt (siehe [17]). Bei höheren Drücken wurde jedoch in Studien beobachtet, dass es kongruent schmilzt und eine Flüssigkeit mit einer eindeutigen Schmelzkurve bildet, wie in Abbildung 5 zu sehen ist. Seine langsame Kinetik ist wahrscheinlich auf die großen Unterschiede zwischen den Atomradien von Kohlenstoff und Silizium zurückzuführen (siehe [18]).

Druck

Siliziumkarbid hat aufgrund seiner halbleitenden Eigenschaften, insbesondere seiner im Vergleich zu herkömmlichem Silizium überragenden Spannungsfestigkeit, für Schlagzeilen gesorgt. Darüber hinaus kann Siliziumkarbid auch als Schleifmittel und in feuerfesten Anwendungen wie beispielsweise bei Hochleistungsbremsscheiben für PKWs eingesetzt werden.

SiC kommt am häufigsten als Alpha-Siliziumkarbid (a-SiC) vor, dessen hexagonale Kristallstruktur der von Wurtzit ähnelt. Bei niedrigeren Temperaturen kann sich jedoch auch die Beta-Form bilden, die jedoch nur begrenzte kommerzielle Anwendungsmöglichkeiten bietet. SiC ist als zähes und verschleißfestes Material mit diamantähnlichen Eigenschaften bekannt, das hitze- und korrosionsbeständig ist.

Siliziumkarbid wird in Pulver- oder Kristallform hergestellt und findet in verschiedenen Bereichen der Feuerfest-, Schleif- und Metallurgieindustrie Anwendung. In Kombination mit Graphit wird es häufig zur Herstellung von kohlefaserverstärktem Siliziumkarbid verwendet, das in Hochleistungsbremsscheiben für PKW zum Einsatz kommt.

Das Lely-Verfahren ist das gängigste Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbid. Dabei wird eine Mischung aus Quarzsand und Kohle (in der Regel Koks) in einem Granittiegel mit einem Kohlenstoffleiter als Elektrode auf sehr hohe Temperaturen erhitzt, während elektrischer Strom durch den Koks fließt. Dadurch entstehen chemische Reaktionen, die eine Sublimation bei niedrigeren Temperaturen ermöglichen und bei kühleren Temperaturen eine Ablagerung auf Graphitstäben bewirken, was zu reinen grünen SiC-Kristallen führt, die als Moissanit bekannt sind.

Diffusion

Siliziumkarbid (SiC) ist ein amorph-kristallines Material mit einem extrem hohen Schmelzpunkt (2700 °C). Aufgrund der starken kovalenten Bindungen zwischen Si- und C-Atomen weist Siliziumkarbid extreme Härte und Sprödigkeit auf, erreicht jedoch nicht die Härte von Diamant (9,5 auf der Mohs-Skala). Es kommt in der Natur als Moissanit vor, das bereits 1893 im Meteoritenkrater Canyon Diablo in Arizona entdeckt wurde; alternativ wird es künstlich durch Reduktion von Siliziumdioxid und Kohlenstoff in einem Elektroofen bei hohen Temperaturen hergestellt.

Siliziumkarbid findet aufgrund seiner außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften breite Anwendung. Es zeichnet sich durch hervorragende elektrische Eigenschaften aus, wie beispielsweise eine zehnmal höhere Spannungsfestigkeit als herkömmliches Silizium, und schneidet in Systemen mit Spannungen über 1000 V besser ab als Galliumnitrid; darüber hinaus weist es sowohl Temperaturwechselbeständigkeit als auch Verschleißfestigkeit auf.

Im Rahmen der Bemühungen, die Isolierfähigkeit von Siliziumkarbid zu verbessern, wird es häufig mit einer Kohlenstoffschicht (der sogenannten „C-Cap“) überzogen, um den Qualitätsverlust während Hochtemperatur-Glühprozessen zu mindern. Leider kann diese Beschichtung jedoch auch nachteilige Auswirkungen auf die Selbstdiffusion haben, indem sie die Bildung von Frenkel-Paaren begünstigt und unbewegliche Antisiten erzeugt (siehe Abbildung 4 zur Veranschaulichung dieses Phänomens). Abbildung 4 zeigt einen Vergleich zwischen Proben ohne C-Cap und Proben mit C-Cap, die eine Stunde lang bei 1700 °C geglüht wurden; Die Profilverläufe der beiden Proben unterscheiden sich aufgrund von Pinholes, die bei den mit C-Cap beschichteten Proben nach einer einstündigen Glühbehandlung bei 1700 °C in beiden Proben vorhanden sind; dies wird durch Unterschiede in ihren Arrhenius-Diagrammen der Selbstdiffusionskurven belegt (was auf das Vorhandensein von Pinholes bei der mit C-Cap beschichteten Probe hinweist).

Temperatur

Siliziumkarbid (SiC) ist ein nicht-oxidischer Keramikwerkstoff mit bemerkenswerter thermischer Stabilität und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen. SiC besteht aus dicht gepackten Kohlenstoff- und Siliziumatomen, die durch Kristallgitterstrukturen miteinander verbunden sind, und weist einen sehr hohen Schmelzpunkt auf – eine Eigenschaft, die es für industrielle Anwendungen geeignet macht, bei denen extreme Temperaturen herrschen.

Reines SiC ist kein besonders guter elektrischer Leiter; durch Dotierung mit bestimmten Dotierungsstoffen lässt sich seine Leitfähigkeit jedoch deutlich steigern. Darüber hinaus übertreffen die Temperaturwechselbeständigkeit und die Kriechfestigkeit von SiC die anderer Hochtemperaturkeramiken wie Aluminiumoxid oder Borcarbid.

In der Stahlindustrie ist Siliziumkarbid 90% ein wesentlicher Bestandteil von Sauerstoffkonvertoren (BOF). Es dient als Brennstoff, um das Verhältnis von Schrott zu Roheisen zu erhöhen und die Abgusstemperatur zu steigern; darüber hinaus trägt es zur Desoxidation des Stahls bei und entfernt Verunreinigungen aus dem Schmelzbad – außerdem ist es ein wirksames Mittel zur Steuerung des Kohlenstoffgehalts in der Stahlschmelze.

SiC wird nicht nur in der Stahlindustrie eingesetzt, sondern findet auch in vielen anderen Bereichen Anwendung. So dient es beispielsweise als effizienter Katalysator bei der Herstellung von Polyvinylchlorid sowie anderen organischen Verbindungen. Darüber hinaus kann SiC zur Herstellung von Aluminiumoxid und Borcarbiden verwendet werden; außerdem ist es ein wesentlicher Bestandteil von Verbundpanzerungen wie der Chobham-Panzerung.