Eigenschaften von Siliziumkarbid

Siliziumkarbid (SiC) ist ein äußerst langlebiger Werkstoff mit einer extrem hohen Härte von 9 auf der Mohs-Skala und einer Ästhetik, die der von Diamant in nichts nachsteht.

EAG Laboratories verfügt über umfangreiche Erfahrung bei der Untersuchung dieser Eigenschaften von SiC mithilfe von Analysemethoden für das gesamte Material sowie räumlich aufgelösten Analysetechniken. SiC kann sowohl als elektrischer Isolator als auch als Halbleiter dienen.

Härte

Siliziumkarbid ist einer der härtesten Stoffe der Welt; es belegt den neunten Platz auf der Mohs-Skala und ist hinsichtlich der Härte nur dem Diamanten unterlegen. Borcarbid und Diamant sind noch härter als Siliziumkarbid – weitere Anwendungsbereiche sind Schneidwerkzeuge, kugelsichere Westen, Automobilteile und Spiegel für astronomische Teleskope. Die harte und widerstandsfähige Oberfläche von Siliziumkarbid eignet sich hervorragend für den Einsatz als Schleifmittel und Schneidwerkzeuge, als Strukturmaterial (kugelsichere Westen), für Automobilteile und für Spiegel in Teleskopen!

Temperaturwechselbeständige Keramik ist eine extrem harte, nicht-oxidische Keramik. Aufgrund ihrer Festigkeit, ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, ihrer geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihrer hervorragenden Oxidationsbeständigkeit ist sie ein unverzichtbarer feuerfester Werkstoff.

Siliziumkarbid (Ordnungszahl 14) und Kohlenstoff (Ordnungszahl 6) bilden eine anorganische Verbindung, die als Siliziumkarbid bekannt ist, mit zwei primären Koordinationstetraedern, die aus kovalent gebundenen vier Kohlenstoff- und vier Siliziumatomen bestehen, wodurch eine außergewöhnlich starke und starre, dicht gepackte Struktur mit überragender Festigkeit und Steifigkeit entsteht; ihre Polymorphe können sich sogar zu Polymorphen stapeln. Siliziumkarbid weist die Eigenschaften eines Halbleiters mit großer Bandlücke auf, wodurch im Vergleich zu Silizium dreimal weniger Energie benötigt wird, um Elektronen aus ihren Orbitalzuständen zu befreien.

Korrosionsbeständigkeit

Die wichtigste Eigenschaft von Siliziumkarbid ist seine Korrosionsbeständigkeit. Es ist nicht nur beständig gegen die aggressivsten denkbaren Säuren (Salzsäure, Schwefelsäure und Flusssäure), Laugen und Lösungsmittel – sowie gegen oxidierende Medien wie Salpetersäure oder Wasserdampf –, sondern weist zudem hervorragende Isolationseigenschaften auf, die vor Schäden durch extreme Temperaturen oder elektrische Felder schützen.

Gesintertes Siliziumkarbid zeichnet sich durch eine hervorragende Wärmebeständigkeit aus, die auf seine hohe Dichte, seine Härte, seine Eigenschaften als Halbleiter mit großer Bandlücke – wodurch der Energieverbrauch der Elektronen für die Verschiebung des Leitungsbandes geringer ist – sowie auf seinen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten zurückzuführen ist.

Die Korrosionsbeständigkeit lässt sich auch durch Sinterhilfsstoffe, Korngrenzenphasen und Porosität verbessern; deren Art und Menge hängen davon ab, wie schnell die Korrosion mit anderen Umgebungen reagiert.

Die Oxidationszustände von Siliziumkarbid lassen sich durch die passivierende Wirkung von Kohlenstoff steuern, was dazu beiträgt, die Korrosionsraten zu senken und die Lebensdauer des Produkts zu verlängern, wenn es im Betrieb oxidierenden Umgebungen ausgesetzt ist.

Wärmeleitfähigkeit

Siliziumkarbid ist ein extrem hartes Material, das in seiner Härte zwischen Aluminiumoxid (9 auf der Mohs-Skala) und Diamant (10) liegt. Aufgrund seiner Kombination aus Härte und thermischer Stabilität eignet sich Siliziumkarbid hervorragend für anspruchsvolle mechanische Anwendungen in Bauteilen, die sowohl verschleißfesten Werkstoffen als auch feuerfesten Materialien standhalten müssen.

Aufgrund seiner hervorragenden Temperaturwechselbeständigkeit und seiner geringen Wärmeausdehnung eignet sich Silikonkautschuk zudem besonders gut für den Einsatz in Hochtemperaturumgebungen und für Bauteile in Rohrleitungssystemen.

Siliziumkarbid kann mit verschiedenen Elementen dotiert werden, um seine elektronischen Eigenschaften zu verändern. Durch Dotierung mit Stickstoff oder Phosphor wird es zu einem n-Typ-Halbleiter, während eine Dotierung mit Beryllium, Bor oder Aluminium es in einen p-Typ-Halbleiter verwandelt.

Aufgrund der Bandlücken-Differenz zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband bei Siliziumkarbid ist es für Elektronen schwieriger, zwischen diesen beiden Bändern zu wechseln, wodurch es bis zu zehnmal stärkeren elektrischen Feldern standhalten kann, bevor es spröde wird und versagt, als dies bei Silizium der Fall ist.

Elektrische Leitfähigkeit

Siliziumkarbid weist eine Reihe elektrischer Eigenschaften auf, die durch Dotierung angepasst werden können. Bei der Dotierung werden Verunreinigungen in die Kristallstruktur eingebracht, um freie Elektronen und Löcher zu erzeugen, die Strom leiten. Dadurch erreicht SiC eine Leitfähigkeit, die zehnmal höher ist als die von Silizium.

Die elektrischen Eigenschaften von Siliziumkarbid werden weitgehend durch seine Bandlücke bestimmt. Dieser Unterschied zwischen den Energieniveaus des Valenzbands und des Leitungsbands eines Atoms bestimmt, wie starkem elektrischen Feld es standhalten kann; Siliziumkarbid weist eine größere Bandlücke auf als Silizium, wodurch es fast doppelt so hohe Spannungen aushalten kann.

Dank seiner hohen Spannungsfestigkeit eignet sich Neodym ideal für den Einsatz in Leistungsbauelementen für Elektrofahrzeuge, da es längere Reichweiten und eine effizientere Batterieverwaltung ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht sein im Vergleich zu Alternativen wie Galliumnitrid geringeres Gewicht den Herstellern von Leistungselektronik, Größe und Gewicht erheblich zu reduzieren, während es dank seines minimalen Wärmeausdehnungskoeffizienten hohen Temperaturen standhält.