Siliciumcarbid

Werkstoffe auf Basis von Siliciumcarbid (SiC, auch Siliziumkarbid genannt) wurden erst in jüngster Zeit als Konstruktionswerkstoffe für den Maschinenbau und für Anwendungen in der Energietechnik entdeckt.
Siliziumkarbid ist der leichteste (seine Dichte liegt, abhängig von der Porosität, im Bereich von 2,6 bis 3,2 g/cm³), aber auch der härteste keramische Werkstoff. "Fast wie Diamant" wird es gerne und mit Recht bezeichnet. Seine Härte kann 9,6 nach Mohs-Skala (ca. 2600 HV) erreichen.
Siliciumcarbidbasierte Keramiken besitzen herausragende Eigenschaften. Dazu zählen eine hohe Festigkeit und ein hoher E-Modul von 380 bis 430 GPa. Sie zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 120 bis 200 W/m K (bei Raumtemperatur zweimal höher als Stahl) und eine geringe Wärmeausdehnung von 3,6 bis 4,1x10-6/K (bei 20 bis 400°C) und damit eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aus. Siliciumcarbid-Keramiken können bis 1400 °C eingesetzt werden. Zudem hat diese Keramik eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit und Halbleiter-Eigenschaften.
Hochreines Siliciumcarbid ist farblos, technisches ist dagegen oft schwarz, was durch Verwendung aluminiumoxidhaltiger Hilfsmittel bei der Herstellung verursacht wird. Das Siliciumcarbid ist im Aufbau und den Eigenschaften ähnlich wie Diamant, da sich Silicium und Kohlenstoff in derselben Hauptgruppe und benachbarten Perioden des Periodensystems befinden und der Atomdurchmesser von Silicium nur leicht größer ist. Eine Besonderheit von SiC ist seine Polytypie: Es existiert in unterschiedlichen Phasen, die sich in ihrer Struktur unterscheiden. Polytypie ist ein Begriff aus der Kristallographie und bezeichnet das Phänomen, dass ein Material in zwei oder mehreren verschiedenen Kombinationen schichtartiger Struktureinheiten vorliegt. Die Strukturen von Polytypen unterscheiden sich nur in der Abfolge und Orientierung der einzelnen Schichten, nicht aber in deren Aufbau und Zusammensetzung. Verschiedene Polytype einer Verbindung können bei gleichen Bedingungen nebeneinander gebildet werden. Damit unterscheidet sich die Polytypie von der Polymorphie (Allotropie), bei der verschiedene Stoff-Modifikationen bei unterschiedlichen Temperaturen existieren. Bei allen bisher bekannten Polytypen von SiC ist jedes Silicium-Atom durch kovalente Bindungen mit vier Kohlenstoff-Atomen verknüpft und umgekehrt. Sie haben daher einen tetraedrischen Aufbau. Es kommen eine hexagonale (α-SiC) und eine kubische (β-SiC) Struktur vor. Häufiger anzutreffen und technologisch am bedeutsamsten sind die Polytypen, die eine Mischung aus dem rein hexagonalen und dem rein kubischen Polytyp darstellen und häufig ebenfalls als alpha-SiC bezeichnet werden. Dabei befinden sich eingebettet zwischen zwei hexagonalen Schichten eine bzw. zwei kubische Schichten.
Siliciumcarbid ist ein idealer Werkstoff für thermisch und chemisch hoch beanspruchte Bauteile.
Ein typischer Einsatzbereich für Siliciumcarbid-Bauteile ist die dynamische Dichtungstechnologie (Abb. 1) mit Gleitlagern und Gleitringdichtungen, wie in Pumpen und Antriebssystemen. Hier ermöglicht Siliciumcarbid im Vergleich zu Metallen sehr wirtschaftliche Lösungen mit längeren Standzeiten, selbst beim Einsatz in aggressiven und hochtemperierten Medien. Siliciumcarbid-Keramik eignet sich auch hervorragend für anspruchsvolle Einsatzbedingungen in der Ballistik, in der chemischen Produktion, der Energietechnik, der Papierherstellung sowie als Bauteile für Rohrleitungssysteme.

         
        Abb. 1 Zwei Seiten eines Dichtungsringes aus SiC-Keramik

Aufgrund seiner Härte und des hohen Schmelzpunktes wird Siliciumcarbid als Schleifmittel für optische Spiegel und Linsen und als Komponente für Feuerfeststoffe verwendet. Weniger reines Siliziumkarbid wird als metallurgisches SiC bezeichnet und in großen Mengen beim Legieren von Gusseisen mit Silizium und Kohlenstoff verwendet. In Mischung mit anderen Materialien dient es als Hartbetonzuschlagsstoff, um Industrieböden abriebfest zu machen oder um Tresorräume widerstandsfähig zu machen. Ringe an hochwertigen Angelruten werden ebenfalls meist aus Siliciumcarbid gefertigt. Auch hier liegt sein Vorteil gegenüber anderen Materialien in der Härte, die verhindert, dass die Angelschnur unter hohen Belastungen eine Kerbe in den Ring einschneidet und schließlich durch Abrieb zerreißt. Dank seiner geringen Wärmeausdehnung wird Siliziumkarbid in Weltraumteleskopspiegeln verwendet. Aus kohlenstofffaserverstärkter SiC-Keramik werden Hochleistung-Bremsscheiben hergestellt. Siliciumcarbid ist toxikologisch unbedenklich, was seinen Einsatz im Lebensmittelbereich ermöglicht.
Die Einteilung der SiC-Keramiken erfolgt üblicherweise entsprechend dem Gefüge (offenporös oder dicht) und der Bindungsart zwischen den SiC-Körnern (arteigen oder artfremd gebunden).
Unterschiedliche Herstellungsarten führen zu weiteren Varianten des Werkstoffes, die aufgrund ihres unterschiedlichen SiC-Gehaltes und der variierenden Porosität jeweils andere Eigenschaften haben. Die technisch wichtigsten Siliciumcarbid-Sorten sind:
Silicatisch gebundenes SiC, das vor allem in der Feuerfesttechnik verwendet wird.
Rekristallisiertes Siliciumcarbid (RSiC), das durch seine hohe offene Porosität eine sehr geringe Schwindung bei der sintertechnischen Herstellung von Bauteilen hat.
Nitridgebundenes Siliciumcarbid (NSiC) mit einer Bindematrix aus Siliciumnitrid um die SiC-Körner und einem feinporösen Gefüge.
Drucklos gesintertes Siliciumcarbid (SSiC), das aus SiC-Feinstpulvern bei hohen Temperaturen im Schutzgas gesintert wird und ein sehr gleichmäßiges Gefüge mit diamantähnlicher Härte sowie Verschleißbeständigkeit hat.
Heiß gepresstes Siliciumcarbid (HPSiC) und heißisostatisch gepresstes Siliciumcarbid (HIPSiC) nahezu porenfrei mit besten Eigenschaften, aber mit hoher Schwindung.
Reaktionsgebundenes siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) bei dem praktisch keine Schwindung auftritt, aber mit geringerer Schmelztemperatur.
Flüssigphasen gesintertes Siliciumcarbid (LPSiC), eine relativ neue Sorte mit verbesserter Bruchzähigkeit (SiC-Keramiken sind gewöhnlich sehr spröde).
Siliciumcarbid ist aufgrund seiner Härte bei gleichzeitig geringem Gewicht sowie der hohen Verfügbarkeit und großer Sortenauswahl eine heute häufig verwendete Ingenieurkeramik.
Sehr seltenes, natürlich vorkommendes Siliciumcarbid wird Moissanit genannt und ist dem Diamanten in vielfältiger Hinsicht zum Verwechseln ähnlich. <<