Siliziumkarbid - Dichte und Anwendungen

Siliziumkarbid (SiC) ist einer der leichtesten und härtesten keramischen Werkstoffe. Es zeichnet sich durch seine Widerstandsfähigkeit gegen Schäden durch Abnutzung und Verschleiß, seine Beständigkeit gegen das Austreten von Chemikalien, seine geringe Wärmeausdehnung und seine selbstschärfenden Eigenschaften aus - Eigenschaften, die SiC zu einer attraktiven Wahl machen.

SiC-Halbleiter verfügen über eine außergewöhnlich breite Bandlücke, die es ihnen ermöglicht, bei höheren Spannungen und Frequenzen zu arbeiten als Standard-Silizium-Bauelemente - was sie zur perfekten Wahl für den Einsatz in Schnelllade- und Stromumwandlungsanwendungen für Elektrofahrzeuge macht.

Dichte

Siliziumkarbid (SiC) ist ein hartes Material mit einem hohen Schmelzpunkt, das aufgrund seiner Härte, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohen Festigkeit, seines geringen Gewichts und seines breiten Betriebstemperaturbereichs weit verbreitet ist. Darüber hinaus bietet SiC hervorragende Wärmeleitfähigkeits- und elektrische Widerstandseigenschaften, die es der Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge ermöglichen, Größe und Gewicht zu verringern und die Reichweite zu erhöhen, während die Batteriekosten sinken.

Die Dichte von Siliciumcarbid hängt von seiner Kristallstruktur ab. Verschiedene polykristalline Strukturen weisen unterschiedliche Dichten auf, und auch Verunreinigungen während der Synthese können diesen Faktor verändern. Auch Zusatzstoffe oder Sinterhilfsmittel können die Dichte verändern.

SiC ist ein nichtoxidisches keramisches Material, das häufig in Produkten eingesetzt wird, die eine hohe Beständigkeit und Leistung unter thermisch und mechanisch anspruchsvollen Bedingungen erfordern. Dazu gehören verschleißfeste Teile für Schleifmittel, hitze- und chemikalienbeständige keramische Feuerfestmaterialien wie Keramik und metallurgische Auskleidungen sowie aufgrund seiner Halbleitereigenschaften auch elektronische Geräte wie Leuchtdioden (LEDs) und Detektoren.

Komponenten, die in Hochspannungsumgebungen betrieben werden müssen, sind häufig auf Kohlenstoffnanoröhren zum Schutz angewiesen, da ihre Fähigkeit, hohen Spannungen standzuhalten, dazu beiträgt, die Größe, die Kosten und die Komplexität der Leistungselektronik zu reduzieren - was umso wichtiger wird, je mehr die Architektur von Elektrofahrzeugen zu höheren Spannungen übergeht, um schnellere Lademöglichkeiten und ein besseres Wärmemanagement zu ermöglichen. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoff-Nanoröhren besonders ideal für diese Anwendung.

Wärmeleitfähigkeit

Siliziumkarbid (SiC), eine synthetisch hergestellte, kristalline Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, ist ein extrem hartes Material mit hervorragenden Wärmeleiteigenschaften. Zu den Anwendungen für SiC gehören Sandpapier, Schneid- und Schleifwerkzeuge, Auskleidungen von Industrieöfen und feuerfesten Materialien sowie keramische Substrate, die in Leuchtdioden verwendet werden; keramische Substrate spielen auch eine Rolle bei der Beleuchtung von LED-Anzeigen sowie bei Anwendungen in der Metallurgie, der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie.

Siliciumnitrid und Moissanit sind beides Formen des Karborundmaterials, die als Schleifmittel verwendet werden können. Beide Sorten kommen in der Natur im Canyon-Diablo-Meteoriten in Arizona vor. 1891 wurde es von dem amerikanischen Erfinder Edward G. Acheson auf der Suche nach Möglichkeiten zur Herstellung künstlicher Diamanten erstmals künstlich hergestellt und erhielt seinen heutigen Namen; Karborundum umfasst in seinem Namen sowohl Silizium- als auch Kohlenstoffelemente.

Siliciumcarbid tritt in Form von gelb bis grün bis bläulich-schwarz schillernden Kristallen auf, die bei 2700 Grad Celsius sublimieren, eine extrem hohe Dichte von 3,21 g cm-3 haben und in Wasser unlöslich sind. Das a-SiC-Polymorph weist hexagonale Kristallstrukturen auf, die denen von Wurtzit ähneln, während beta-Modifikationen Zinkblende-Kristallstrukturen aufweisen, die denen von Diamant ähneln.

Als Methoden zur Bewertung der thermischen Eigenschaften von SiC stehen die Blitzlicht-Diffusionsprüfung, die Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Spektrometrie und die optische Emissionsspektroskopie zur Verfügung. Darüber hinaus können auch Massenverfahren wie Glimmentladungs-Massenspektrometrie, Röntgenfluoreszenz und Laser-Emissionsspektroskopie auf dieses Material angewendet werden.

Elektrische Leitfähigkeit

Siliciumcarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke, was bedeutet, dass es aufgrund seiner Eigenschaften entweder als elektrischer Leiter (wie Kupferdrähte) oder als Isolator (wie die Kunststoffisolierung auf diesen Drähten) fungieren kann. Aufgrund der Festigkeit und der großen Bandlücke von SiC kann sich elektrische Energie effizienter durch das Material bewegen als durch Materialien mit kleinerer Bandlücke, wie z. B. das herkömmliche Halbleitersilizium. Daher kann es elektronische Geräte antreiben, die bei hohen Temperaturen und Spannungen arbeiten, ohne dass es zu nennenswerter Wärmeentwicklung oder Leistungsverlusten kommt; Beispiele sind IGBTs, bipolare Transistoren, Schottky-Dioden, MOSFETs usw.

SiC wird seit fast 200 Jahren verwendet, aber erst seit kurzem findet es Anwendung im Automobilbereich. SiC verfügt über viele Eigenschaften, die es für den Einsatz im Automobilbereich ideal machen - unter anderem seine Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und Spannungen.

Die Hersteller in der Automobilindustrie rücken zunehmend von Silizium zugunsten von SiC ab, um die Qualität, Zuverlässigkeit und Effizienz der Batteriemanagementsysteme von Elektrofahrzeugen zu verbessern. Dank der ausgezeichneten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit von SiC können SiC-haltige Epoxid-Verbundwerkstoffe den Bedarf an aktiver Kühlung für diese Systeme reduzieren und so Kosten und Gewicht sparen.

Härte

Siliziumkarbid weist eine der höchsten und dauerhaftesten Härten unter den keramischen Werkstoffen auf und steht damit nach Diamant (neue Mohshärte: 15) und Borkarbid (neue Mohshärte: 13) an dritter Stelle auf der Erde. Dank seiner chemischen Inertheit, Abriebfestigkeit und seines hohen Schmelzpunkts kann es bedenkenlos in rauen Umgebungen eingesetzt werden.

SiC ist ein ideales Material für Schutzwesten, da es starke Schutzeigenschaften gegen Hochgeschwindigkeitsstöße aufweist und durch seine breite Bandlücke den Betrieb bei höheren Temperaturen und Spannungen ermöglicht.

Silizium und Kohlenstoff, die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden, verleihen diesem Material eine so hohe Härte, die es in die Lage versetzt, mechanischen Beanspruchungen standzuhalten, die andere Materialien wie Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid beschädigen würden.

Die Härte von SiC kann erheblich gesteigert werden, wenn es mit epitaktischem Graphen beschichtet wird. Untersuchungen mit einem Diamant-Eindringkörper haben gezeigt, dass sich die Härte von SiC, das mit einer atomar dünnen Schicht epitaktischen Graphens überzogen ist, um 30% erhöht, wenn die Eindringtiefe dreihundertmal größer ist als seine Dicke.