Was ist Siliziumkarbid?
Siliziumkarbid ist Siliciumcarbid (SiC), das aus Silicium (Si) und Kohlenstoff (C) besteht.
Außer in Meteoriten kommt es in der Natur nicht vor. Aufgrund seiner hohen Härte und Verschleißfestigkeit wird es häufig für Schleifmittel und feuerfeste Materialien verwendet. Reines Siliziumkarbid ist farblos und durchsichtig, aber für die industrielle Verwendung ist es im Allgemeinen schwarz.
Vor allem hochreines Siliziumkarbid zieht Aufmerksamkeit auf sich, da es als Material für Leistungshalbleiter entwickelt wird, die herkömmliche Siliziumhalbleiter übertreffen.
Anwendungen von Siliziumkarbid
Siliziumkarbid zeichnet sich durch hohe Härte, Verschleißfestigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Es kann in Gleitringdichtungen, Wellen und anderen gleitenden Teilen sowie in Zerkleinerungsteilen wie Sichtern und hitzebeständigen Teilen wie Hochtemperaturprüfgeräten und Tiegeln für das Metallschmelzen verwendet werden.
SiC-Leistungshalbleiter werden auch in Hybridelektrofahrzeugen (HEVs) verwendet.
Eigenschaften von Siliziumkarbid
Siliziumkarbid ist unlöslich in Wasser. Es wird nicht flüssig, sublimiert bei 2545 °C und zersetzt sich thermisch bei Temperaturen über 2800 °C. Es hat eine Mohshärte von 9,5 und ist damit nach Diamant und Borkarbid das zweithärteste Material. Sein Brechungsindex beträgt bis zu 2,65, so dass große Kristalle wie Spiegel glänzen.
Reines Siliziumkarbid ist farblos und durchsichtig. Industrielle Produkte sind grün oder schwarz gefärbt und die Farbe verblasst, wenn die Produktionsumgebung gereinigt wird. Die Färbung von Siliziumkarbid ist auf das Eindringen von Elementen wie Aluminium und Stickstoff in das Kristallgitter zurückzuführen. Der elektrische Widerstand der Kristalle nimmt bei helleren Farben zu, und Grün wird als Rohmaterial für Heizelemente verwendet.
Siliziumatome sind größer als Kohlenstoffatome. Daher vergrößert sich der interatomare Abstand in der Reihenfolge C < SiC < Si, und die Wärmeleitfähigkeit wird geringer und weicher.
Struktur von Siliziumkarbid
C und Si in Siliziumkarbid gehören zur gleichen Gruppe 14 im Periodensystem. Sie sind kovalent gebunden, aber aufgrund ihrer unterschiedlichen Elektronegativität auch ionisch. Es liegt daher stabil als Verbindung mit einem konstanten Verhältnis von 1:1 vor. Die molare Masse beträgt 40,097 g/mol und die Dichte 3,22 g/cm3.
Ein Atom ist von den anderen Atomen in einer tetraedrischen Anordnung umgeben und es gibt mehr als 200 Varianten, je nach dem Wiederholungsmuster der Schichtstruktur. Im Wesentlichen werden sie in zwei Typen unterteilt: den hexagonalen α-Typ und den kubischen β-Typ.
Pulver aus Siliziumkarbid vom α-Typ können hergestellt werden, wenn Koks und Siliziumdioxid in einem Elektroofen auf über 2100 °C erhitzt werden. Durch Erhitzen von Ruß und Silizium auf 1800 °C in einem Argonstrom wird der β-Typ hergestellt.
Weitere Informationen zu Siliziumkarbid
1. Geschichte des Siliziumkarbids
1891 stellte Edward Goodrich Acheson (USA) Siliziumkarbid durch Erhitzen einer Mischung aus Koks und Ton in einer Kohlebogenlampe her. Dies führte zur Gründung der Carborundum Abrasives Co. und zur industriellen Herstellung von Siliciumcarbid, das manchmal auch als Karborund bezeichnet wird.
Ferdinand Frédéric Henri Moissan entdeckte 1905 Siliziumkarbid in einem Meteoriten in Arizona. In der Mineralogie wird es auch Moissanit genannt.
2. Reaktionen von Siliziumkarbid
Siliziumkarbid ist chemisch inert. Es ist unlöslich in Wasser, Säuren und Laugen, reagiert weder mit Königswasser noch mit heißer konzentrierter Salpetersäure, noch mit N2, H2 oder CO. Es oxidiert an der Luft bei Temperaturen über 800 °C, aber SiO2 bildet sich auf der Oberfläche und verlangsamt die Oxidation als Schutzfilm. Es reagiert mit Cl2 bei Temperaturen über 800 °C unter Bildung von C und SiCl4. Es reagiert mit Wasser bei Temperaturen über 800 °C unter Bildung von C und SiCl4.