Ein Überblick über Siliziumkarbid-Keramikmaterialien

Siliziumkarbid ist eines der härtesten und beständigsten keramischen Materialien, das sowohl wegen seiner Härte als Schleifmittel als auch wegen seiner Hitzebeständigkeit und seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten in feuerfesten und keramischen Anwendungen eingesetzt wird.

Moissanit kann auch in der Natur in Form des transparenten Minerals Moissanit vorkommen. Die ersten künstlich hergestellten Proben entstanden 1891 bei Edward Achesons Versuch, künstliche Diamanten zu erzeugen; später stellte der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Chemiker Henri Moissan weitere Proben künstlich her.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Siliciumcarbid (SiC) ist eine extrem starke Nichtoxidkeramik, die eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen Korrosion und chemische Angriffe bei hohen Temperaturen bietet. SiC wird in Industrieöfen als feuerfestes Auskleidungsmaterial, in Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen und in Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf hohe Festigkeit ankommt, wie z. B. in Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen und Bearbeitungsanwendungen. Darüber hinaus bilden SiC-Komponenten wichtige Bestandteile von Widerstandsheizelementen, Thermistoren für Elektroöfen sowie SiC-haltige Auskleidungsrohre und Dichtungsflächen.

SiC ist für seine überragende thermische Beständigkeit und Festigkeit bei hohen Temperaturen bekannt, weshalb es in industriellen Anwendungen sehr geschätzt wird. SiC widersteht der Oxidation bei Temperaturen bis zu 1000 Grad Celsius, indem es eine Oxidschutzschicht bildet, die wie eine Barriere zwischen seinen Oberflächen und den sie umgebenden Elementen wirkt. Bei höheren Temperaturen können jedoch Risse diese Barriere durchdringen und Energie über interkristalline oder körnige Bereiche ableiten, was zu Schwierigkeiten bei der Erhöhung der Festigkeit bei erhöhten Temperaturen führt.

Siliziumkarbid kann in zwei verschiedenen Verfahren hergestellt werden: reaktionsgebunden und gesintert. Beide Formen haben erheblichen Einfluss auf die Mikrostruktur und damit auf die Leistung bei erhöhten Temperaturen. Bei der Reaktionsbindung werden Grünlinge, die aus SiC- und Kohlenstoffgemischen bestehen, mit flüssigem Silizium infiltriert; dadurch entstehen Strukturen mit minimalen Dimensionsänderungen während der Verarbeitung und einer großen Oberfläche. Die feuerfeste Kern-Schale-Mikrostruktur bietet einzigartige Eigenschaften, die nachweislich die Festigkeit von SiC bei hohen Temperaturen erhöhen.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Die bemerkenswerte Festigkeit von Siliziumkarbid macht es zu einem ausgezeichneten Material für Hochtemperaturanwendungen, wie z. B. Keramikbremsbeläge für Automobile. Das Material ist in der Lage, Temperaturen von bis zu 1.400 °C standzuhalten und dabei seine außergewöhnliche Festigkeit und Härte beizubehalten, was Siliziumkarbid zu einem idealen Werkstoff macht.

Siliziumkarbid unterscheidet sich von anderen keramischen Werkstoffen dadurch, dass es sich bei hohen Temperaturen nicht zersetzt oder schmilzt, so dass es sich für hochbelastete, tragende Anwendungen wie Lager und kugelsichere Platten eignet, ohne dass es zu dauerhaften strukturellen Schäden kommt. Dadurch eignet sich Siliziumkarbid besonders gut für Anwendungen, bei denen hohe Belastungen auftreten, wie z. B. bei Lagern und kugelsicheren Platten.

Siliziumkarbid kommt in der Natur in Form des extrem seltenen Minerals Moissanit vor, während die synthetische Herstellung von Siliziumkarbid die Anforderungen der modernen Verteidigungs-, Kernenergie-, Raumfahrt- und Luftfahrtindustrie erfüllt, die präzise Abmessungen verlangen.

Gesintertes Siliciumcarbid weist eine der höchsten Wärmeleitfähigkeiten unter den technischen Keramiken auf, die zweithöchste nach Aluminiumnitrid. Dies ist auf seine Sauerstoff-Gitterstruktur zurückzuführen, die eine starke Streuung der Phononen bewirkt. Die Wärmeleitfähigkeit kann zwar durch Oxidzusätze im Sinterprozess weiter erhöht werden, doch sollten diese auf ein absolutes Minimum beschränkt werden, um die strukturelle Stabilität und Oxidationsbeständigkeit des Materials zu erhalten.

Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient

Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliziumkarbid macht es zum perfekten Material für den Einsatz als Keramikmatrix-Verbundwerkstoff (CMC) unter rauen Bedingungen. Daher wird es häufig in Anwendungen wie Gasturbinen und Raketendüsen eingesetzt, wo die Materialien hohen Temperaturen und Temperaturschocks standhalten müssen.

Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit ist rostfreier Stahl ein hervorragendes Material für die Auskleidung von Chemieöfen, da er extremen Temperaturen standhalten kann und dabei seine strukturelle Integrität beibehält. Darüber hinaus bietet nichtrostender Stahl eine hohe chemische Stabilität, die einen langen Betrieb in aggressiven flüssigen Umgebungen wie Säuren und Laugen ermöglicht.

Das am weitesten verbreitete Polymorph von Siliciumcarbid, die Alpha-Form, kommt bei Temperaturen über 1700 °C mit einer Wurtzit-Kristallstruktur und Schmelzpunkten über 1700 °C vor. Es gibt jedoch auch die seltenere Beta-Form mit einer diamantähnlichen Zinkblende-Kristallstruktur und einem niedrigeren Schmelzpunkt von 1030 °C. Diese seltenere Form kann als Träger für heterogene Katalysatoren dienen.

Siliciumcarbid gibt es sowohl als poröse als auch als dichte Keramik. Die Herstellungstechniken variieren stark, wobei die endgültige Mikrostruktur von der verwendeten Produktionsmethode abhängt. Reaktionsgebundenes SiC wird hergestellt, indem Presslinge aus einer Kohlenstoff-SiC-Mischung mit geschmolzenem Silizium infiltriert werden, das miteinander reagiert und mehr SiC bildet, wodurch der ursprüngliche Pressling gebunden wird; gesintertes SiC, wie z. B. Hexoloy, wird durch herkömmliche keramische Formgebungsverfahren hergestellt, bevor es bei hohen Temperaturen unter einer inerten Atmosphäre gesintert wird.

Hohe Härte

Siliziumkarbid erreicht auf der Mohs-Skala eine Härte von bis zu 9,5 und liegt damit hinter Diamant und Bornitrid an dritter Stelle. Daher eignet es sich für Schneidwerkzeuge und abrasive Materialien sowie für die Herstellung hochtemperaturbeständiger Verschleißteile wie Lager und Dichtungen in der mechanischen Industrie.

Die einzigartige Kombination von stabilen chemischen Eigenschaften, hervorragender Wärmeleitfähigkeit, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, Härte und mechanischer Festigkeit hat dazu geführt, dass Siliciumcarbid in zahlreichen Branchen wie Erdöl, Chemietechnik, Mikroelektronik, Automobilbau, Luftfahrt, Papierherstellung und Laserbergbau eingesetzt wird. Darüber hinaus wird Siliciumcarbid auch in der Informationselektronik für den Umweltschutz und bei der Energienutzung eingesetzt.

Siliciumcarbid (SiC) kann in zwei Verfahren hergestellt werden, dem Reaktionsbindungs- und dem Sinterverfahren, die beide das endgültige Gefüge beeinflussen. Reaktionsgebundenes SiC wird in der Regel durch Infiltration von Presslingen aus Silizium- und Kohlenstoffgemischen mit flüssigem Silizium hergestellt, das dann mit anderen Silizium-Kohlenstoff-Molekülen reagiert, um weitere SiC-Bindungen zu bilden, während gesintertes SiC mit herkömmlichen keramischen Formgebungsverfahren und nichtoxidischen Sinterhilfsmitteln hergestellt wird.

Die hervorragende Bearbeitbarkeit von Siliziumkarbid macht es zu einem ausgezeichneten Werkstoff für die Herstellung verschleißfester Dichtungskomponenten, insbesondere in Kombination mit Graphit. Diese Kombination bietet niedrigere Reibungskoeffizienten als Aluminiumoxidkeramik und Hartlegierungen und behält seine Form bei hohen PV-Werten, um das Austreten von Chemikalien wie Laugen und Säuren in die Umwelt zu verhindern.

Reaktion verbunden sic

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