Siliziumkarbid (SiC)

Mit einer jährlichen Produktion von über 800.000 t ist Siliziumcarbid (SiC) die mit Abstand am weitesten verbreitete Nichtoxidkeramik. Lange Zeit beschränkte sich dessen Einsatz weitestgehend auf den als Schleifmittel und auch heute noch wird ein signifikanter Teil des hergestellten SiCs in der Abrasivindustrie verwendet [SCH15].

Zusätzlich wurden innerhalb der letzten Jahrzehnte verschiedene Verfahren entwickelt, mittels derer die Produktion von Bauteilen aus SiC mit guten mechanischen Eigenschaften möglich wurden. Die außerordentliche Härte, gepaart mit sehr guter Thermoschockbeständigkeit und chemischer Inertheit gegenüber Säuren sowie Basen, ermöglichen den Einsatz auch unter aggressivsten Bedingungen. So bestehen Bremsscheiben im Rennsport und für Hochgeschwindigkeitszüge aus kohlefaserverstärktem SiC. In der Feuerfestindustrie ist es ein beliebtes Konstruktionsmaterial und auch Heizelemente, sowie Gleitlager werden daraus hergestellt.

Siliziumkarbid wird aufgrund seiner chemischen Beständigkeit gegenüber vieler Schmelzen in der Metallindustrie eingesetzt. Beispiele für Metalle, deren Kontakt mit Siliziumkarbid unproblematisch ist, sind Aluminium, Kupfer, Blei, Zink, Zinn, und Cadmium. Dem gegenüber nimmt Siliziumkarbid Schaden von flüssigem Eisen, Nickel, Cobalt, da diese Materialien Legierungen oder Silizide mit Silizium bilden. [Sal07]

Ein wesentlicher Spezialfall in der Anwendung von Siliziumkarbid als Strukturmaterial sind faserverstärkte Werkstoffe. Fasern aus Siliziumkarbid können aus Präkursoren nasschemisch mit anschließender Temperaturbehandlung hergestellt werden [Has80] [Yaj78] und haben eine herausragend hohe Festigkeit und ein hohes Elastizitätsmodul [Yaj78]. Typischerweise werden die Fasern eingesetzt in Siliziumoxid mit vorwiegend glasartiger Struktur und deutlich kleinerem Elastizitätsmodul [Bre03]. Die mechanischen Eigenschaften des Glases werden dabei maßgeblich verbessert, während das Siliziumkarbid vollständig vor Oxidation geschützt ist [Bre03].

Der Verbindung aus Glas und Siliziumkarbid-Fasern liefert eine exzellente Kombination aus Risszähigkeit, Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und Dichte [Pre80].

Siliziumkarbid hat zudem als Halbleitermaterial ein großes Potenzial. Seine hohe Beständigkeit verschafft dem Material Einsatzmöglichkeiten als elektronisches Bauteil in der Luft- und Raumfahrt, Kernspaltungskraftwerken und Satelliten [Cas96]. Siliziumkarbid in der Elektronikbranche ist geeignet für Hochtemperaturbereiche bis 600°C [Por95], Hochfrequenztechnik [Cas96] und Hochspannungstechnik [Neu95]. Eine Herausforderung dabei ist jedoch die Kontrolle über die Kontaktstellen zwischen dem Siliziumkarbid und dem Leiter [Por95]. Relevant für die beschriebenen Anwendungen ist dabei nur die α-Phase des Siliziumkarbids [Por95].

Siliziumkarbid kommt in einer hexagonalen α-Modifikation und einer kubischen β-Modifikation vor [Spi59]. Die Bindungen sind vorwiegend kovalent. Untereinander haben die Atome eine tetraedrische Koordination [Sal07]. Die hexagonale Form ist die thermodynamisch stabile Phase während die kubische Form nur bei bestimmten Temperaturänderungsraten, Verunreinigungen, Drücken und Atmosphären entsteht [Sal07].

Die Herstellung von Siliziumkarbid erfolgt typischerweise mithilfe des Acheson Verfahrens, bei dem in der Regel die α-Phase synthetisiert wird. Dabei werden Quarzsand und Petrolkoks in Siliziumcarbid und Kohlenmonoxid überführt. Das Verfahren erfolgt durch einen 10 bis 60 Meter langen Heizleiter aus Kohlenstoff, der mit einer Schüttung aus Siliziumoxid, Petrolkoks und anderen Additiven umgeben wird. Durch eine hohe Spannungszufuhr wird die endotherme Reaktion in Gang gesetzt und es kommt zu Temperaturen von 2000 bis 2400°C [Sal07].

Nachdem das hergestellte Siliziumkarbid durch Mahlprozesse in Pulver überführt wurde, erfolgen die Formgebung des Bauteils und der Sinterprozess, für den sich ein breites Spektrum an Verfahren herausgebildet hat. Dadurch können die Eigenschaften in weiten Bereichen verändert werden.

Da die relevanten Diffusionskoeffizienten erst bei Sintertemperaturen über 2400°C ausreichend für eine akzeptable Verdichtung wären, bei denen bereits Silizium aus dem Material verdampft, gibt es die Möglichkeit, durch das kostenintensive heißisostatische Pressen die Verdichtung zu befördern und ein Bauteil herzustellen, das höchsten Anforderungen standhält [Hül14]. Eine einfache Temperaturbehandlung reicht nicht aus, da die dünne Schicht aus Siliziumoxid den Rand der Pulverpartikel überzieht [Sal07].

Dennoch kann unter der Verwendung von Additiven drucklos gesintertes Siliziumkarbid hergestellt werden [Sal07]. Eine andere Möglichkeit ist die Infiltration des Siliziumkarbids mit etwa 10-15% Siliziumschmelze, die das Pulver aus Siliziumkarbid bindet [Nes86], wobei sogenanntes reaktionsgebundenes Siliziumkarbid entsteht. Dabei wird eine niedrigere Temperatur im Sinterprozess ermöglicht. Ähnlich kann im Falle des keramisch gebundenen Siliziumkarbids ein zweites keramisches Material zugegeben werden, welches die Matrix des Gefüges bildet, in das die Körner aus Siliziumkarbid eingelagert werden [Sal07].

Rekristallisiertes Siliziumkarbid ermöglicht die Herstellung eines Bauteils ohne Schwindung, indem sehr feine und sehr grobe Körner zusammen gesintert werden, wobei nur die feinen Körner die Bindungen zwischen den groben Körnern herstellen und eine große Restporosität zurückbleibt [Sal07].

Alternativ kann die Herstellung von sehr reinem Siliziumkarbid auch durch Gasphasenreaktionen und nasschemische Verfahren, bei denen metallorganischen Präkursoren zum Einsatz kommen, erfolgen. [Sal07].