Im 21. Jahrhundert konzentrierte sich die Entwicklung der modernen Produktivität mit Fortschritten in Wissenschaft und Technologie auf Bereiche wie Informationstechnologie, Energie, Materialien und Bioingenieurwesen. Siliziumkarbid (SiC)-Materialien sind aufgrund ihrer stabilen chemischen Eigenschaften, hohen Wärmeleitfähigkeit, niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, geringen Dichte, ausgezeichneten Verschleißfestigkeit, hoher Härte, mechanischen Festigkeit und Beständigkeit gegen chemische Korrosion schnell im Bereich der Materialien aufgetaucht.

SiC-Keramik entstand in den 1960er Jahren. Davor wurde SiC hauptsächlich als Schleif- und feuerfester Werkstoff verwendet. Mit dem Aufkommen von Hochleistungskeramiken waren traditionelle SiC-Keramiken jedoch nicht mehr zufriedenstellend. In den letzten Jahren wurden Verbundkeramiken auf SiC-Basis entwickelt, die die Leistung von Einphasenmaterialien verbessern. SiC-Keramiken werden heute weit verbreitet in keramischen Kugellagern, Ventilen, Halbleitermaterialien, Messinstrumenten und der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt.

Die chemische Stabilität von SiC ist eng mit seinen Oxidationseigenschaften verbunden. Während SiC zur Oxidation neigt, bildet es beim Oxidationsprozess einen dünnen Siliciumdioxid (SiO₂)-Film, der allmählich weitere Oxidation verhindert.

Oxidationsverhalten: In Luft beginnt SiC bei 800°C langsam zu oxidieren. Mit steigender Temperatur beschleunigt sich die Oxidationsrate rapide. In Sauerstoff ist die Oxidationsrate 1,6-mal schneller als in Luft, nimmt jedoch im Laufe der Zeit ab.

• Physikalische Erscheinung: Reines SiC ist ein farbloses, transparentes Kristall. Industrielles SiC zeigt verschiedene Farben, darunter farblos, hellgelb, hellgrün, tiefgrün, hellblau, tiefblau und schwarz, wobei die Transparenz abnimmt, wenn die Farbe dunkler wird. SiC wird in grünes SiC (farblos bis tiefgrün) und schwarzes SiC (hellblau bis schwarz) eingeteilt.

Grünes SiC ist spröder und ideal für die Herstellung von selbstschärfenden Schleifmitteln.

Schwarzes SiC ist robuster und wird anders als grünes SiC verwendet.

Die Herstellung von ultrafeinen SiC-Pulvern, die in High-Tech-Anwendungen unerlässlich sind, lässt sich in drei Hauptkategorien einteilen:

Festphasenmethoden:

Carbothermische Reduktionsmethode.

b. Direkte Si-C-Reaktionsmethode, einschließlich Hochtemperaturselbstzündungssynthese und mechanisches Legieren.

Flüssigphasenmethoden:

Sol-Gel-Methode.

b. Polymerpyrolyse-Methode.

c. Solvothermische Methode.

Gasphasenmethoden:

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD).

b. Plasma-unterstütztes Verfahren.

c. Laser-induzierte Dampfabscheidung.

Aufgrund der starken kovalenten Bindungen und des niedrigen Diffusionskoeffizienten von SiC kann keine Verdichtung mit konventionellen Sinterverfahren erreicht werden. Sinterhilfsmittel oder externer Druck müssen eingesetzt werden, um die Oberflächenenergie zu senken oder die Verdichtung zu verbessern.

Reaktionsgebundene SiC-Keramik:

α-SiC und Kohlenstoff werden mit einem Bindemittel geformt und getrocknet. Das Preform wird in Si-haltige Materialien gelegt, über 1400°C erhitzt, wodurch geschmolzenes oder verdampftes Si in die Poren eindringt und mit Kohlenstoff reagiert, um α-SiC zu bilden und das Material letztendlich zu verdichten.

Heißgepresste SiC-Keramik:

Das Anwenden von Druck während des Sinterns beschleunigt die atomare Diffusion und erhöht die Sintereffizienz. Dies kann jedoch zu einer Kornwachstumsrichtung senkrecht zur Druckrichtung führen. Heißisostatisches Pressen (HIP) kann dieses Problem mildern.

Drucklose gesinterte SiC-Keramik:

Diese Methode ist vielversprechend für die Herstellung von komplex geformten, großformatigen SiC-Komponenten. Sie umfasst Festphasen- und Flüssigphasensintern, abhängig vom Sintermechanismus.

Präzisionskugeln sind entscheidend in Rundheitsmessinstrumenten, Gyroskopen, Lagern und präzisen Messgeräten. Konventionelle Metallkugeln neigen aufgrund von Temperatur zu Verschleiß und Verformung. SiC-Keramikkugeln mit ihrer Leichtigkeit, hoher Härte, Verschleißfestigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit und geringer thermischer Ausdehnung wurden weit verbreitet in Präzisionslagern und -komponenten übernommen.

SiC's hohe Härte (Mohs-Skala: 9,2–9,6) macht es geeignet für Schleifmittel wie Schleifscheiben, Schleifpapier und Poliermittel, die hauptsächlich in der mechanischen Verarbeitungsindustrie verwendet werden. SiC rangiert knapp unter Diamant und Bornitrid als häufig verwendetes Schleifmittel.

Die inhärente Sprödigkeit von Keramiken begrenzt ihre Anwendung in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen High-Tech-Bereichen. Die Verstärkung von SiC mit Fasern verbessert Festigkeit und Modul. SiC-basierte Verbundwerkstoffe mit ihrer hohen Zähigkeit, Festigkeit und ausgezeichneten Oxidationsbeständigkeit werden in großem Umfang in Hochtemperatur-Strukturanwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt.