Der Name und die chemische Identität
Die Buchstaben SiC sind die chemischen Symbole für Silizium und Kohlenstoff, SiC ist also Siliziumkarbid, eine kovalente Verbindung der beiden Elemente im Verhältnis eins zu eins und mit einer Molmasse von etwa 40 Gramm pro Mol. Es kommt in der Natur nur selten vor, etwa als Mineral Moissanit, und im Wesentlichen sind alle kommerziellen Materialien synthetisch. Siliziumkarbid ist extrem hart, mit einer Mohs-Härte von etwa 9 bis 9,5 und einer Knoop-Härte nahe 2.500, und es behält seine Festigkeit bei hohen Temperaturen und ist beständig gegen Oxidation, da sich auf seiner Oberfläche eine schützende Siliziumoxidschicht bildet. Seine theoretische Dichte beträgt etwa 3,21 Gramm pro Kubikzentimeter und in reiner Form ist es elektrisch halbleitend, was die Grundlage für seinen Einsatz in der Leistungselektronik ist.
Wie Siliziumkarbid hergestellt wird
Siliciumcarbid in großen Mengen wird in einem Acheson-Ofen hergestellt, in dem eine Mischung aus hochreinem Quarzsand und Kohlenstoff, in der Regel Petrolkoks, erhitzt wird, indem Strom durch einen Graphitkern geleitet wird, bis die Charge die Reaktionstemperatur über 2.000 Grad Celsius erreicht. Das Produkt entsteht in Form eines großen Barrens, der zerkleinert, gemahlen, gesiebt und sortiert wird. Der Prozess ist energieintensiv, weshalb die Siliziumkarbidproduktion dort konzentriert ist, wo Strom günstig ist. Feine Pulver für Keramik- und Halbleiterarbeiten werden auf anderen Wegen hergestellt, einschließlich der Reaktion von Silizium mit Kohlenstoff und Dampfphasenprozessen, die sehr hochreines Material mit kontrollierter Partikelgröße ergeben.
Schwarze und grüne Schleifmittelsorten
Die beiden bekannten Schleifmittelsorten sind schwarzes Siliziumkarbid, das aus Quarzsand und Petrolkoks hergestellt wird und häufig einen geringeren Siliziumkarbidgehalt enthält, der sich für allgemeine Arbeiten eignet, und grünes Siliziumkarbid, das aus einer reineren Ladung hergestellt wird, die einen höheren Siliziumkarbidgehalt und eine schärfere, brüchigere Körnung erzeugt. Schwarzes Korn wird für Gusseisen, Stein, Glas und Nichteisenmetalle beim Strahlen, für Schleifscheiben und beschichtete Schleifmittel verwendet, während grünes Korn für Hartmetall und andere harte, spröde Materialien sowie für Arbeiten, bei denen die Wärmeentwicklung begrenzt werden muss, bevorzugt wird. Beide sind in Maschengrößen sortiert, wobei jede Maschenzahl ein Partikelgrößenband definiert, und der Siliziumkarbidgehalt der Sorte bestimmt, wie viel nicht abrasives Mineral vorhanden ist.
Feuerfeste und keramische Formen
Siliziumkarbid wird aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und chemischen Stabilität in feuerfesten Materialien als Rohstoff für Ziegel, Gussteile und Brennhilfsmittel verwendet. Seine hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Temperaturfestigkeit machen es in Wärmetauschern und Brennerkomponenten wertvoll. Verbundene und gesinterte Siliziumkarbidkeramiken dienen als Gleitringdichtungen, Pumpenkomponenten, Verschleißplatten, Düsen und Panzerungen, wobei Härte und Verschleißfestigkeit die entscheidenden Eigenschaften sind. Reaktionsgebundenes Material wird durch Infiltrieren einer Vorform aus Siliziumkarbid und Kohlenstoff mit geschmolzenem Silizium hergestellt, während gesintertes Material mit Additiven verdichtet wird. Die beiden Verfahren ergeben unterschiedliche Porositäts-, Festigkeits- und Kostenprofile.
Elektrische und Halbleiteranwendungen
Siliziumkarbid ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke, und seine Fähigkeit, bei hoher Spannung und hoher Temperatur mit geringem Schaltverlust zu arbeiten, hat ihm in der Leistungselektronik Bedeutung verschafft. Geräte werden auf monokristallinen Wafern aufgebaut, die durch physikalischen Dampftransport aus hochreinem Pulver gezüchtet werden, und die Wafer müssen sehr strenge Grenzwerte in Bezug auf Mikroröhrendefekte, Versetzungen und Dotierstoffkonzentration einhalten. Das gleiche hochreine Pulver wird für Keramik in Halbleiterqualität und für die Heizelemente in Hochtemperaturöfen verwendet. Bei all diesen Anwendungen liegt der Reinheitsanspruch weit über dem von Schleifmaterial, weshalb der Preis pro Kilogramm zwischen Strahlgut und Wafern in Elektronikqualität um Größenordnungen variiert.
Häufig gestellte Fragen
F: Wofür steht SiC?
SiC steht für Siliziumkarbid, die Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, und die Buchstaben sind einfach die chemischen Symbole der beiden Elemente im Verhältnis eins zu eins.
F: Wofür wird Siliziumkarbid verwendet?
Es wird als Schleifmittel zum Schleifen und Strahlen, als feuerfester Rohstoff, als Strukturkeramik für Dichtungen und Verschleißteile sowie als Halbleiter mit großer Bandlücke in der Leistungselektronik verwendet.
F: Was ist der Unterschied zwischen schwarzem und grünem Siliziumkarbid?
Schwarzes Korn wird aus einer weniger reinen Ladung hergestellt und eignet sich für allgemeine Schleifarbeiten an Gusseisen, Stein und Nichteisenmetallen, während grünes Korn reiner, schärfer ist und für harte Materialien wie Hartmetall bevorzugt wird.
F: Wie hart ist Siliziumkarbid?
Es hat eine Mohs-Härte von etwa 9 bis 9,5 und eine Knoop-Härte nahe 2.500, womit es nach Diamant und kubischem Bornitrid zu den härtesten industriellen Massenmaterialien gehört.
F: Ist Siliziumkarbid natürlich oder synthetisch?
Fast das gesamte handelsübliche Siliziumkarbid ist synthetisch und wird in einem Acheson-Ofen aus Quarzsand und Kohlenstoff hergestellt, obwohl es eine seltene natürliche Form als Mineral Moissanit gibt.
F: Warum ist Siliziumkarbid in Elektronikqualität so teuer?
Denn Halbleiterwafer müssen aus sehr hochreinem Pulver gezüchtet werden und extrem strenge Grenzwerte für Kristalldefekte und Dotierstoffe einhalten, die weit über die Anforderungen von abrasivem oder feuerfestem Material hinausgehen.