Siliziumcarbid

Siliziumcarbid (Trivialname: Karborund; andere Schreibweisen: Siliciumcarbid und Siliziumkarbid) ist eine chemische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff. Die chemische Formel ist SiC. Siliciumcarbid.jpg

Eigenschaften

Der Stoff ist im Aufbau und den Eigenschaften ähnlich zu Diamant, da sich Silizium und Kohlenstoff in derselben Hauptgruppe und benachbarten Perioden des Periodensystems befinden und die Atomdurchmesser ähnlich sind (der von Silicium ist größer). Jedes Silizium-Atom ist durch Atombindungen mit vier Kohlenstoff-Atomen verknüpft und umgekehrt. Eine Besonderheit von SiC ist der Polytypismus: es existiert in vielen verschiedenen Phasen, die sich in ihrer atomaren Struktur unterscheiden. Die so genannte kubische Phase, beta-SiC (aufgrund ihrer abc-Schichtenfolge auch 3C genannt) kristallisiert in einer Zinkblende-Struktur, die mit der von Diamant verwandt ist. Sehr seltenes, natürlich vorkommendes Siliziumkarbid wird Moissanit genannt und ist Diamanten in vielfältiger Hinsicht zum Verwechseln ähnlich. Die anderen Polytypen besitzen eine hexagonale oder rhomboedrische Struktur, wobei die hexagonalen Typen insgesamt am häufigsten auftreten. In ihrer reinsten Form ist die hexagonale Struktur (auch alpha-SiC genannt) Wurtzit-artig, und wird aufgrund der ab-Schichtenfolge auch als 2H bezeichnet. Häufiger anzutreffen und technologisch am bedeutsamsten sind die Polytypen 4H und 6H (Schichtenfolge abcb und abcacd), die eine Mischung aus dem rein hexagonalen 2H-Polytyp und dem rein kubischen Polytyp 3C darstellen. Dabei befinden sich eingebettet zwischen zwei hexagonalen Schichten eine (4H) bzw. zwei (6H) kubische Schichten.

Hochreines Siliziumcarbid ist farblos. Technisches Siliziumcarbid ist schwarz-grün und nimmt mit zunehmender Reinheit Farbtöne bis flaschengrün an.

Dichte: 3,217 g/cm³

Härte: 9,6 (Mohs); 2600 (Vickers, Knoop)

Siliziumcarbid ist auch bei hohen Temperaturen gegen Sauerstoff relativ oxidationsbeständig. Es zeigt eine hohe Härte, gutes Wärmeleitvermögen (reines SiC ca. 350 W/mK, technisches SiC ca. 100-140 W/mK, je nach Herstellungsverfahren) und halbleitende Eigenschaften. Die Bandlücke liegt dabei mit 2,4eV (3C-SiC) - 3,3eV (2H-SiC) zwischen der von Silizium (1,1eV) und der von Diamant (5,5eV).

Herstellung

Die Herstellung von Siliziumcarbid erfolgt durch Reduktion von Siliziumdioxid (Quarz) mit Kohle (Koks) bei ca. 2000° C.

Anwendung in der Technik

In der Technik findet Silziumcarbid aufgrund seiner Härte und des hohen Schmelzpunktes Anwendung als Schleifmittel (siehe Carborundum) und als Komponente für Feuerfeststoffe (K-SiC). Große Mengen an weniger reinem SiC werden als "metallurgisches" SiC zur Legierung von Gusseisen mit Si und Kohlenstoff verwendet. Anwendung auch als Isolator von Brennelementen in Hochtemperatur-Kernreaktoren. Ebenso dient es in Mischung mit anderen Materialien als Hartbetonzuschlagsstoff um Industrieböden abriebfest zu machen.

Hochreines SiC, das bei Temperaturen > 2300 °C gesintert wird ("rekristallisiertes" SiC = R-SiC) findet Verwendung als Brennhilfsmittel zur Fertigung von Porzellan, Steinzeug und anderer Gebrauchskeramik. Gesintertes Siliciumcarbid (S-SiC) und siliziuminfiltriertes SiC (Si-SiC) sind Werkstoffe mit einer relativen Dichte > 95 % der theoretischen Dichte, die vorwiegend als Ingenieurkeramik eingesetzt werden.

Höchstfeste dichte Silicumcarbid-Werkstoffe werden durch Flüssigphasensintern mit oxidisch-nitridischen Zusätzen durch Gasdrucksintern erzeugt (LPS-SiC). SiC wird seit Ende der 80er Jahre auch als strukturkeramischer Werkstoff (Ingenieurkeramik) verwendet. Hierzu wurden weitere dichte SiC-Werkstoffe entwickelt, die Graphit und/oder gezielt eingebrachte Poren zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften besitzen. Anwendungen für ingenieurkeramisches SiC finden sich vor allem als Gleitlager oder als Gleitringdichtung in korrosiv hochbelasteten Chemiepumpen aber auch für Wasserpumpen in Pkw und Lkw. Daneben wird SiC wegen seiner hohen Härte auch in verschleißbeanspruchten Anwendungen eingesetzt (z.B. Abstreifleisten für Papiermaschinen, Fadenführer in der Textilindustrie). In der Elektrotechnik findet Siliziumcarbid ferner als Heizstabmaterial Verwendung.

Entwicklungen des DLR in Stuttgart von einer kohlenfaserverstärkten Siliziumkarbidkeramik (Ceramic Matrix Composites, CMC) haben zu neuartigen Hitzeschutzkacheln für Raumfahrzeuge geführt. Der letzte große Praxistest für dieses Material und andere faserverstärkte Keramiken fand bei dem europäischen Projekt Shefex (Sharp Edge Flight EXperiment) 2005 in Norwegen statt. Der gleiche Werkstoff findet inzwischen auch Verwendung als Bremsscheibenmaterial in hochpreisigen Sportwagen.

Siliziumcarbid als Halbleitermaterial

SiC wird für Varistoren, blaue LEDs, ultraschnelle Schottky-Dioden, MOS-Feldeffekttransistor und elektronische Schaltkreise und Sensoren, die hohe Temperaturen oder hohe Dosen ionisierender Strahlung aushalten müssen, benutzt. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit wird SiC auch als Substrat für andere Halbleitermaterialen verwendet.

Spezielle Bezeichnungen

SSiC

Bei SSiC handelt es sich um die Abkürzung für „Sintered Silicon Carbide“. Damit wird ein Siliziumcarbid der technischen Keramik bezeichnet, das durch Sintern von Siliziumcarbidpulver mit Sinterhilfmitteln hergestellt wird.

SiSiC

Mit SiSiC wird ein Typ von Siliziumcarbid bezeichnet, der durch chemische Reaktion von porösem Kohlenstoff mit elementarem Silizium erzeugt wird. Das Material hat ähnliche Eigenschaften wie Siliziumcarbid. Herstellbedingt enthält es wenige Prozente von elementarem Silizium und ist daher nicht so korrosionsbeständig wie das gesinterte Siliciumcarbid SSiC.

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