Definition von Siliziumkarbid

Siliziumkarbid, allgemein als SiC bezeichnet, ist ein schwarzes oder dunkelgrünes kristallines Material, das entweder in einem Labor synthetisiert werden kann oder in der Natur als das seltene Mineral Moissanit vorkommt.

Keramische Werkstoffe gehören zu den leichtesten, härtesten und stärksten modernen keramischen Werkstoffen, die heute erhältlich sind. Ihre Widerstandsfähigkeit gegen physischen Verschleiß, Korrosion, thermische Ausdehnung und Kontraktion ist beispiellos und bietet auch einzigartige elektrische Eigenschaften.

Physikalische Eigenschaften

Siliciumcarbid (SiC) ist ein extrem hartes und sprödes Material, das sowohl in der Natur als Mineral Moissanit vorkommt als auch in der Industrie als Schleifmittel und Halbleiter verwendet wird. Aufgrund seiner einzigartigen Kombination von physikalischen Eigenschaften ist SiC seit langem in zahlreichen Anwendungen für verschiedene Zwecke gefragt.

Die Kristallstruktur von SiC variiert je nach Reinheit, von hexagonalem oder rhomboedrischem a-SiC bis zu kubischem b-SiC (das sich bei Temperaturen über 2100 °C in a-SiC umwandelt). Industrielles SiC kann je nach Verunreinigungsgrad und Art weiß, gelb, grün, blau oder sogar schwarz sein.

Siliciumcarbid ist in reinem Zustand ein elektrischer Isolator; wenn es jedoch mit Dotierstoffen oder Verunreinigungen behandelt wird, wird es halbleitend, was es ideal für den Einsatz in elektronischen Geräten mit niedrigem Energieverbrauch wie LEDs und Detektoren macht.

Die beeindruckende Widerstandsfähigkeit von Siliziumkarbid gegenüber extremen Bedingungen hat seine zunehmende Verwendung in der Weltraumtechnologie vorangetrieben, wie z. B. bei der BepiColombo-Mission zum Merkur, wo Solarzellen mit SiC-Dioden ausgestattet sind, die sich als fähig erwiesen haben, selbst den härtesten Weltraumbedingungen zu widerstehen. Darüber hinaus hat Siliziumkarbid aufgrund seiner einzigartigen Mischung aus industriellem Nutzen und spiritueller Symbolik eine große Anhängerschaft unter den spirituellen Praktiken gewonnen, da es in der Lage ist, das Durchhaltevermögen bei den Herausforderungen des Lebens zu fördern und gleichzeitig durch die Erfahrung dieser Herausforderungen zur Transformation zu inspirieren, was das Wachstum des Weltmarktes weiter antreibt.

Elektrische Eigenschaften

Siliciumcarbid kann je nach Temperatur sowohl als Isolator bei niedrigeren Temperaturen als auch als Metallleiter bei höheren Temperaturen wirken. Durch Hinzufügen von Verunreinigungen wie Stickstoff oder Phosphor, die zusätzliche freie Ladungsträger (Elektronen und Löcher) erzeugen, kann Siliciumcarbid jedoch auch zu einem Halbleitermaterial mit erhöhten Ladungsträgern (Elektronen und Löcher) werden.

So sehr, dass Aluminiumlegierungen häufig in Schneidwerkzeugen sowie in strukturellen Anwendungen wie Autobremsen, Kupplungen und Keramikplatten für kugelsichere Westen zu finden sind. Auch in Blitzableitern und Spiegeln von astronomischen Teleskopen kommt dieses Material häufig zum Einsatz.

Die elektrischen Eigenschaften von SiC werden durch seine breite Bandlücke als Halbleiter noch weiter verbessert, da im Vergleich zu Silizium weniger Energie für den Transfer von Elektronen von den Valenzbändern zu den Leitungsbändern benötigt wird, was zu höheren Durchbruchspannungen und kürzeren Schaltzeiten führt, die die Verluste verringern und die Effizienz verbessern.

Siliziumkarbid-Transistoren bieten erhebliche Effizienzvorteile bei Elektrofahrzeuganwendungen, indem sie mehr Leistung bei einem kleineren, leichteren Wechselrichter liefern - insbesondere, da die Ladestandards auf 800 Volt ansteigen und Komponenten mit minimalen Verlusten bei der Handhabung hoher Spannungen erforderlich sind. Siliziumkarbid bietet diese Lösungen durch IGBTs und MOSFETs, die eine hohe Sperrspannung und einen extrem niedrigen Einschaltwiderstand aufweisen, so dass diese hohen Spannungen zuverlässiger erreicht werden können, was zu längeren Reichweiten und geringeren Systemkosten führt.

Thermische Eigenschaften

Siliciumcarbid hat einen hervorragenden Wert von 9 auf der Mohs-Skala und ist damit die härteste synthetische Substanz, die je geschaffen wurde. Siliciumcarbid wird als Pulver oder in Form von Kristallen hergestellt und kann zu keramischen Werkstoffen kombiniert werden, die als Schleifmittel und Strukturmaterial verwendet werden, wie z. B. kugelsichere Schutzwesten oder Keramikplatten für Autobremsen. Aufgrund seiner thermischen Eigenschaften findet es auch in anspruchsvollen Anwendungen wie dem Schmelzen von Metallen, dem Bau von chemischen Verarbeitungsanlagen oder Energieerzeugungsanlagen Verwendung.

Die Beständigkeit von Siliciumcarbid gegen chemische Reaktionen und seine hohe Temperaturbeständigkeit machen es zu einem unschätzbaren Rohstoff für die Herstellung harter feuerfester Materialien, und zu den keramischen Anwendungen gehören die Herstellung starker, verschleißfester Beschichtungen sowie die Verwendung als Schleifmittel. Darüber hinaus ist Siliziumkarbid ein hervorragender Werkstoff für die dynamische Dichtungstechnik in Pumpen und Antriebssystemen.

Siliciumcarbid verhält sich in reinem Zustand wie ein Isolator; durch kontrollierte Zugabe von Verunreinigungen wie Aluminium, Bor, Gallium oder Stickstoff wird es zu einem Halbleiter. Siliziumkarbid-Halbleiter besitzen eine extrem breite Bandlücke; die Verschiebung von Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband erfordert viel mehr Energie als bei anderen Halbleitern, so dass eine geringere Spannung erforderlich ist, um sie aufzulösen, und höhere Schaltfrequenzen bei geringerem parasitärem Widerstand möglich sind.

Mechanische Eigenschaften

Siliziumkarbid kann Temperaturen von bis zu 1400 Grad Celsius bei minimaler Beeinträchtigung der Bruchzähigkeit standhalten und ist daher ein hervorragendes Schleifmaterial für das Schleifen von Metallen und Keramik, für lapidare Anwendungen und als Strukturmaterial in Autos wie Bremsen und Kupplungen; außerdem findet es sich in kugelsicheren keramischen Westen und elektronischen Halbleitergeräten, die bei hohen Temperaturen oder Spannungen arbeiten. SiC's Härte macht es auch ideal als Schleifmittel Schleifmittel auf Automobil-Bremsen und Kupplungen verwendet, während seine Bruchzähigkeit Qualitäten machen es nützlich, als Schleifmittel Material beim Schleifen von Metallen und Keramiken gegen diese Materialien abrasiv verwendet gegen Keramikplatten, die bei höheren als erwartete Temperaturen / Spannungen als seine Konkurrenz - also seine hohe Zuverlässigkeit macht SiC ein beliebtes Schleifmittel in lapidary Anwendungen als Schleifmittel Verwendung auf Automobil-Bremsen und Kupplungen sowie Keramikplatten auf kugelsichere Westen verwendet!!...und Halbleiter-Elektronik-Geräte, die bei höheren als erwartete Temperaturen / Spannungen!

Siliciumcarbid ist in reinem Zustand ein elektrischer Isolator; werden Verunreinigungen hinzugefügt, wird es halbleitend. Da die Bandlücke größer ist als bei kristallinem Silizium und mehr Energie erforderlich ist, um Elektronen in das Leitungsband zu verschieben, kann Siliziumkarbid höhere elektrische Durchbruchsfelder vertragen.

Carborundum (Carbrundm/) wurde 1891 von Edward Acheson aus Pennsylvania entdeckt und hat sich seitdem zu einem der wichtigsten keramischen Werkstoffe entwickelt. SiC wird nicht nur synthetisch hergestellt, sondern kommt auch in der Natur in Form des Minerals Moissanit vor und wird seit über hundert Jahren in Pulverform in großen Mengen als Schleifmittel hergestellt. SiC-Körner können auch mit verschiedenen Bindemitteln zu extrem harten Keramiken verbunden werden, die sich für Anwendungen eignen, die sowohl Wärmebeständigkeit (Hochtemperaturbeständigkeit) als auch mechanische Festigkeit (Härte) erfordern. SiC wird auch zur Verstärkung von Metallen oder Keramiken verwendet.