Siliciumcarbide

In Industrie und Forschung werden immer häufiger Spezialanforderungen an Materialien gestellt. Doch die bisher verwendeten Materialien genügen diesen Anforderungen immer weniger. Daher werden mit Nachdruck neue Materialien gesucht, z.B. Hochleistungskeramiken. Siliciumcarbid gehört in diese Kategorie und zeichnet sich durch besondere Eigenschaften wie hohe Härte und hohe Verschleißbeständigkeit aus.

Charakterisierung

Darstellung eines SiC-Gitters: weiße Punkte stellen Silicium-, schwarze Kohlenstoffatome dar (Abb. aus: Holleman, Arnold Frederik; Wiberg, Egon: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, de Gruyter-Verlag Berlin, 81.-90. Auflage 1976, ISBN: 3-11-005962-2; S. 497)

Die Formel für Siliciumcarbid ist SiC. Durch die sp³-Hybridisierung liegt Siliciumcarbid in einer Kristallstruktur vor.

Durch die vier gleichstarken Bindungen, die zwischen den Atomen eingegangen werden, wird die räumliche Struktur eines Tetraeders um alle Atome gebildet. Dies führt zu einer Bildung von Schichten die über herausragende Spitzen miteinander verbunden sind. Aus diesen Verbindungen ergeben sich verschiedene Stapel folgen, die auch noch zueinander rotiert sein können. Die daraus entstehenden Strukturvarianten bestehen deshalb aus gleichen Baueinheiten. Physikalische und Chemische Eigenschaften dieser Strukturvarianten unterscheiden sich deswegen kaum.

Man unterscheidet zwischen α- und β-Siliciumcarbid, die sich durch die räumliche Struktur und das Herstellungsverfahren unterscheiden. α-Siliciumcarbid ist hexagonal, β-Siliciumcarbid ist kubisch und wird bei niedrigeren Temperaturen hergestellt als α-Siliciumcarbid.

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Herstellung

Das in der Industrie am häufigsten benutzte Verfahren um Siliciumcarbid herzustellen ist das Acheson-Verfahren. Die Herstellung verläuft nach folgender Gleichung:

SiO₂ + 3 C → SiC + 2 CO;  ΔH = 625 ^kJ/_mol

Dabei werden Siliciumdioxid und Kohlenstoff über eine endotherme Reaktion bei 2000–2400°C zu Siliciumcarbid verschmolzen. Als Nebenprodukt entsteht dabei Kohlenstoffmonoxid. Das Verfahren ist sehr energieaufwändig (es sind 625 kJ pro mol nötig). Obwohl es vor fast 80 Jahren patentiert wurde, gibt es bis heute keine nennenswerten Verbesserungen.

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Verwendung

Eigenschaften

Durch seine vielen besonderen Eigenschaften, die es als Hochleistungskeramik auszeichnen, ist Siliciumcarbid in verschiedensten Bereichen einsetzbar. Im chemischen Bereich zeichnet sich Siliciumcarbid durch hohe Beständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und daraus resultierende Feuerfestigkeit sowie einen hohen Schmelzpunkt aus.

Gute physikalische Merkmale sind die hohe Härte und Verschleißbeständigkeit, ebenso die niedrige Dichte. Nur die Festigkeit und das Bruchverhalten von Siliciumcarbid sind nicht sehr gut. Eine geringe Wärmedehnung, die Thermoschockbeständigkeit und die gute Wärmeleitfähigkeit begründen die guten thermischen Eigenschaften.

Die elektrischen Eigenschaften von Siliciumcarbid spielen eine eher untergeordnete Rolle. Denn außer Halbleitereigenschaften besitzt Siliciumcarbid keine elektrischen Eigenschaften.

Verwendungsbereiche

Aufgrund der vielen verschiedenen Einsatzgebiete hat Siliciumcarbid einen großen Anwendungsbereich. Ein Nachteil von Hochleistungskeramiken sind aber die meist höheren Herstellungskosten im Vergleich zu anderen Materialien.

Deswegen haben Hochleistungskeramiken meist einen Wettbewerbsnachteil. In manchen Bereichen können jedoch nur Siliciumcarbide die technischen Ansprüche erst erfüllen. Beliebte Einsatzgebiete von Siliciumcarbid sind unter anderem Verschleißteile, Feuerfest-Materialien, aber auch die Halbleiterindustrie.

Nachteile

Trotz seiner vielen guten Eigenheiten hat Siliciumcarbid den Nachteil der geringen Bruchfestigkeit. Obwohl dies beim Einsatz von SiC meist nicht ausschlaggebend ist, gibt es immer Mindestanforderungen an das Material. Dieser Nachteil kann durch eine Verstärkung mit Carbonfasern größtenteils behoben werden. Diese verhindern die Ausbreitung eines Risses und erhöhen somit die Festigkeit.

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Praktisches Beispiel: Carbon-Keramik Bremse

Der Bremsvorgang wird die kinetische Energie des Autos in Wärmenergie umgewandelt. Dies geschieht über die Reibung zwischen Bremse und Bremsklotz. Durch in den letzten Jahren stark steigende Höchstgeschwindigkeiten und Gesamtmassen von Automobilen sind die Anforderungen an Bremsen gestiegen. In der Luxusklasse werden die Belastungen für normale Grauguss-Bremsen oft zu hoch. Mógliche Folgen davon sind unter anderem eine verkürzte Lebensdauer und eine instabile Bremse, die nicht gleichmäßig bremst. Deshalb werden in der Luxusklasse immer öfters Carbon-Keramik Bremsen (CK-Bremsen) eingesetzt. Diese bieten gegenüber der Grauguss-Bremse viele Vorteile, hat aber auch Nachteile.

Trotzdem sind CK-Bremsen immer noch nicht Standart in der Automobilindustrie.Dies liegt zum einen an den hohen Herstellungskosten von über 1000€ je Bremse. Zum anderen ist zwischen neuen und alten CK-Bremsen so gut wie kein optischer Unterschied zu erkennen. Außerdem ist die durchschnittliche Lebensdauer größer, als die eines Autos.

Bildnachweis: http://www.bremsscheibe.info/wp-content/uploads/2009/08/Porsche_PCCB.jpg

Herzlichen Dank für die Unterstützung bei der Seminararbeit an Herrn Dr. Andreas Kienzle vom Werk der SGL Group am Standort Meitingen!

Paul Hoppstock