Wie man Siliziumkarbidpulver herstellt

Siliziumkarbid, besser bekannt unter dem Namen Karborund, ist hart wie Diamant und sehr verschleißfest. Außerdem ist es aufgrund seiner keramischen Eigenschaften für Hochtemperatur- und Spannungsumgebungen geeignet.

Bei der Herstellung im Lely-Verfahren entsteht ein Pulver, das zu Moissanit-Edelsteinen geschliffen und als Schmuckstein verwendet werden kann, aber auch zur Herstellung von Schleifmitteln und Produkten, die eine gewisse Härte erfordern.

Quellen

Siliciumcarbid (SiC), auch bekannt als Karborund /krbnm/, ist eine extrem harte Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff, die in der Natur als Mineral Moissanit vorkommt und seit dem späten 19. Jahrhundert in Massenproduktion als Schleifmittel hergestellt wird. Durch die Verbindung von SiC zu Hartkeramiken oder durch Dotierung mit Stickstoff, Phosphor, Beryllium oder Aluminium können n- oder p-Halbleiter gebildet werden.

Industrielles SiC wird in der Regel durch das Acheson-Verfahren hergestellt, bei dem Quarzsand mit Kohlenstoffquellen wie Petrolkoks in einem offenen Ofen auf hohe Temperaturen erhitzt wird, wobei je nach Reinheitsgrad entweder grüne oder schwarze Körner entstehen.

SiC ist für seine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt. Mit seinem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, seinem hohen Festigkeits-/Härteverhältnis, seiner chemischen Stabilität und seiner leichten Bearbeitbarkeit dient es als erstklassiger Rohstoff für viele industrielle Anwendungen wie z. B. hochwertige feuerfeste Materialien/Schleifmittel/Keramik [16].

Verarbeitung

Siliciumcarbid (SiC) ist ein technischer keramischer Werkstoff mit einzigartigen Eigenschaften wie chemischer Inertheit bei allen Temperaturen, Temperaturwechselbeständigkeit und hoher Sinterfähigkeit. SiC wird in verschiedenen technischen keramischen Anwendungen eingesetzt, u. a. bei der Herstellung von Brennhilfsmitteln und Anlagen zur Förderung von Flüssigkeiten sowie von Lagern und Verschleißteilen. Weitere Anwendungen von SiC sind Dieselpartikelfilter und ballistischer Schutz. Washington Mills bietet Zerkleinerungs-, Mahl- und Klassieranlagen an, mit denen Rohmaterialien hergestellt werden können, die den ANSI-, FEPA- und JIS-Normen entsprechen.

SiC-Pulver können je nach Ausgangszustand und Kohlenstoffquelle unterschiedliche Korngrößen aufweisen. Ein beliebtes Verfahren zur SiC-Synthese ist die thermische Reduktion von Kohlenstoff; dabei wird ein Gemisch, das ein Mol SiO2 mit weniger als 200 mech enthält, mit 1,5 bis 3 Molen einer Kohlenstoffquelle umgesetzt; durch saures Auslaugen, Erhitzen und Reagieren der entstandenen Lösung wird die Bildung von Glaskohlenstoff verhindert.

Die mittels quantitativer XRD-Analyse hergestellten SiC-Pulver werden anhand der Partikelform, der granulometrischen Zusammensetzung und der spezifischen Oberfläche weiter analysiert. Wichtige Merkmale sind die Partikelform, die granulometrische Zusammensetzung und die spezifische Oberfläche. SiC-Partikel weisen typischerweise flache, splitterige Strukturen mit defekten Unterstrukturen auf, die durch Versetzungsgitter an ihren Rändern gekennzeichnet sind - eine unerwünschte Eigenschaft, die sich negativ auf den Sinterprozess auswirken könnte.

Merkmale

Siliziumkarbid hat viele einzigartige Eigenschaften, die es ermöglichen, es in verschiedenen industriellen Bereichen einzusetzen. Insbesondere ist es mit einer Mohshärte von 9 extrem hart. Darüber hinaus ist dieses Material chemisch inert und bietet eine hohe Abriebfestigkeit, Hitzebeständigkeit bis zu hohen Temperaturen sowie eine gute Zugfestigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten - alles Eigenschaften, die Siliziumkarbid für viele industrielle Anwendungen geeignet machen.

Die Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid haben einen großen Einfluss auf seine Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten. Edward Goodrich Acheson entwickelte das Acheson-Verfahren, bei dem ein Gemisch aus Quarzsand, Petrolkoks und Holzspänen auf extrem hohe Temperaturen erhitzt wird, um chemische Reaktionen auszulösen, bei denen Siliziumkarbidkristalle entstehen - diese Kristalle können dann zu Pulver zermahlen oder in Barren gegossen und verkauft werden.

Dieses Schleifpulver wird häufig in der Luft- und Raumfahrt- sowie in der Automobilindustrie zum Honen und Läppen von Teilen verwendet, um präzise Abmessungen und glatte Oberflächen zu erzielen, aber auch in der Keramik- und Glasherstellung sowie bei der Produktion von Stahl und anderen Metallen. Alter Technology hat mit diesem Material einen Funkschaltkreis entwickelt, der den extremen Bedingungen im Weltraum standhält.

Anwendungen

Siliciumcarbid-Keramik ist ein hervorragender nichtoxidischer Werkstoff, der aufgrund seiner Härte (Mohs-Härte > 9), seiner chemischen Inertheit, seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und seiner Hitze- und Stoßbeständigkeit vielseitig einsetzbar ist. Siliciumcarbid wird aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit als verschleißfeste Teile in Schleifmitteln oder als verschleißfeste Teile in feuerfester Keramik sowie in der Halbleiter- und Elektrotechnik eingesetzt.

Zur Herstellung von SiC kombinieren die Hersteller zunächst amorphes Siliziumdioxid bei hohen Temperaturen mit Kohlenstoff - in der Regel Steinkohlenkoks als Kohlenstoffquelle -, bevor sie es fein mahlen und mit kleinen Mengen Bauxit mischen, um eine Vorform zu bilden. Anschließend erfolgt die Dotierung mit Stickstoff (n-Typ SiC) oder mit Bor, Aluminium und Gallium (p-Typ SiC), je nach gewünschter Anwendung.

Die Hersteller verwenden diese Vorform dann zur Herstellung von kubischem Siliciumcarbid entweder durch reaktives Verknüpfen oder durch chemische Gasphasenabscheidung. Das reaktive Binden ist die gängigere Methode, bei der die Vorform auf 1410 Grad Celsius erhitzt und mit Stickstoff oder Bor dotiert wird, um SiC vom n-Typ herzustellen. Die chemische Abscheidung aus der Gasphase erfordert erheblich mehr Energie und Ausrüstung für den Prozess, während für die reaktive Verknüpfung viel weniger benötigt wird.

Leitfähiges SiC-Pulver für die Halbleiterindustrie ist so konzipiert, dass es die besonderen Wachstumsanforderungen verschiedener Verfahren für die Züchtung von leitfähigen n-Typ-Siliciumcarbid-Einkristallen der dritten Generation erfüllt. Diese Art von Pulver hat eine optimale Partikelgrößenverteilung mit wenigen Hohlräumen und bietet einen Produktreinheitsgrad von über 6N.