Haben Sie schon einmal diese Erfahrung gemacht: Ihr Küchenmesser wird nach längerem Gebrauch stumpf und wenn Sie es zum Schärfen in einen Baumarkt bringen, reibt der Mechaniker es mit einer sich schnell drehenden schwarzen Schleifscheibe hin und her; oder in Fabriken sind die Innenwände der Öfen, die zum Brennen von Keramik und zum Schmelzen von Metallen verwendet werden, selten durchgebrannt, obwohl sie ständig Temperaturen über 1000 Grad ausgesetzt sind. Tatsächlich steckt hinter beiden Dingen derselbe „industrielle Alleskönner“-schwarzes Siliziumkarbid.
01 Lassen Sie uns verstehen: Was genau ist schwarzes Siliziumkarbid?
Wie der Name schon sagt, sind die Kernbestandteile von schwarzem Siliziumkarbid „Kohlenstoff“ und „Silizium“ mit der chemischen Formel SiC. Im Wesentlichen handelt es sich um ein synthetisch hergestelltes anorganisches nicht-metallisches Material. Dabei handelt es sich nicht um ein natürliches Mineral, sondern es wird aus alltäglichen Materialien „raffiniert“: Quarzsand und Petrolkoks werden in einem bestimmten Verhältnis gemischt, mit einer kleinen Menge Salz versetzt und anschließend mehrere Tage lang in einem Widerstandsofen bei 1800-2200 Grad „gebrannt“. Bei dieser hohen Temperatur reagieren das Silizium im Quarzsand und der Kohlenstoff im Petrolkoks und bilden schließlich schwarze kristalline Partikel – das ist schwarzes Siliziumkarbid.
Warum ist es schwarz? Weil seine Reinheit nicht besonders hoch ist (normalerweise zwischen 95 % und 98 %) und die geringe Menge an Restverunreinigungen ihm ein dunkelgraues oder schwarzes Aussehen verleiht. Wenn die Reinheit auf über 99 % erhöht wird, wird es zu einem weiteren häufig vorkommenden Material: -grünes Siliziumkarbid (mit einem grünlichen Farbton).
02. Die „Superkräfte“ von schwarzem Siliziumkarbid: Warum ist es zu einem industriellen Liebling geworden?
Schwarzes Siliziumkarbid glänzt in mehreren Bereichen dank seiner drei Hauptvorteile, von denen jeder einen wichtigen Schwachpunkt in der industriellen Produktion angeht:
1. Extrem hart, dadurch unglaublich effektiv beim Schleifen.
Unter den nicht{0}}metallischen Materialien in der Natur ist schwarzes SIC nur geringfügig härter als Diamant und kubisches Bornitrid und sogar härter als Korund (Aluminiumoxid)-seine Mohs-Härte erreicht 9,2 (Diamant ist 10). Diese Härte macht es zu einem „natürlichen Schleifmittel“: Viele Schleifscheiben, die zu Hause zum Schärfen von Messern und Scheren verwendet werden, bestehen aus schwarzen Siliziumkarbidpartikeln, die mit Harz vermischt sind. Schleifpapier und Schleifscheiben aus schwarzem SIC werden auch häufig in Fabriken zum Bearbeiten von Metallteilen (wie Edelstahl und Gusseisen), zum Schleifen von Glas und zum Polieren von Steinen verwendet. -Es kann schnell Grate und Unvollkommenheiten von der Oberfläche von Werkstücken entfernen und wird nicht so leicht abgenutzt.
2. Hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, die als „feuerfester Wächter“ fungieren
Schwarzes Siliziumkarbid hat einen Schmelzpunkt von bis zu 2700 Grad und verformt oder schmilzt auch nach längerem Gebrauch bei einer hohen Temperatur von 1600 Grad nicht. Darüber hinaus hat es keine Angst vor Säuren oder Laugen und selbst starke Säuren und Laugen können es nur schwer angreifen. Diese Eigenschaften machen es zu einem „Schutzmantel“ für Öfen und Kessel: Die Innenwände von Sinteröfen in Keramikfabriken und Heißwindöfen in Stahlwerken sind mit einer Schicht feuerfester Steine aus schwarzem SIC ausgekleidet, die hohen Temperaturen standhalten und den Wärmeverlust reduzieren; Einige Hochtemperatur-Industrierohre und -ventile sind ebenfalls damit ausgekleidet, um Korrosion durch Hochtemperaturgase oder -flüssigkeiten zu verhindern.
3. Es kann Strom und Wärme leiten und auch als „Nebenakteur“ in der Elektronik fungieren.
Im Gegensatz zu vielen nicht{0}metallischen Materialien (wie Glas und Keramik) ist schwarzes Siliziumkarbid elektrisch leitfähig und hat eine noch stärkere Wärmeleitfähigkeit als Gusseisen-, was ihm einen Platz im Elektronikbereich verschafft: In den Batteriepaketen von Fahrzeugen mit neuer Energie wird es zur Herstellung von „wärmeleitenden Pads“ verwendet, um die beim Betrieb der Batterie entstehende Wärme schnell abzuleiten und so eine Überhitzung der Batterie zu verhindern; In einigen Hochleistungselektrogeräten (wie Frequenzumrichtern und Schweißgeräten) werden auch Wärmeableitungskomponenten aus schwarzem SIC verwendet, um einen stabilen Betrieb der Geräte zu gewährleisten.
03 Was kann schwarzes Siliziumkarbid neben dem Schleifen und der Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen noch leisten?
Die Einsatzmöglichkeiten von schwarzem Siliziumkarbid sind weitaus umfassender, als Sie sich vorstellen können. Es ist in allen Bereichen zu finden, von traditionellen Branchen bis hin zu aufstrebenden Branchen.
In der Bauindustrie kann das Einmischen schwarzer SIC-Partikel in Beton die Verschleißfestigkeit von Straßen und Brücken um mehr als 30 % verbessern und sie zudem frost-beständig machen. Diese Art von „Siliziumkarbidbeton“ wird in vielen kalten Regionen Nordchinas auf Autobahnen verwendet.
Im Umweltbereich können „Wabenkeramikträger“ aus schwarzem Siliziumkarbid in Autoabgasreinigern eingebaut werden, um die Adsorption schädlicher Gase (wie Kohlenmonoxid und Stickoxide) in den Abgasen zu unterstützen.
Im Photovoltaikbereich wird extrem feines schwarzes SIC-Pulver als „Schleifmittel“ bei der Bearbeitung von Siliziumwafern für Solarphotovoltaikmodule benötigt, um die Wafer dünn und flach zu machen und so die Effizienz der Stromerzeugung sicherzustellen.
04 Kann schwarzes Siliziumkarbid in Zukunft noch „leistungsstärker“ werden?
Mit technologischen Fortschritten erzielt schwarzes SIC Durchbrüche in „Hochpräzisions“-Bereichen: Wissenschaftler erforschen beispielsweise die Verwendung von schwarzem Siliziumkarbid zur Herstellung von „Halbleiterchips“, die hitzebeständiger sind und Elektrizität schneller leiten als herkömmliche Siliziumchips und möglicherweise in High-End-Geräten wie Fahrzeugen mit neuer Energie und 5G-Basisstationen verwendet werden. Andere versuchen, schwarzes SIC zu „Energiespeichermaterialien“ zu verarbeiten, um die Speicherung von aus Sonnen- und Windenergie umgewandelter elektrischer Energie zu unterstützen und so das Problem der „Schwierigkeiten bei der Speicherung“ neuer Energie zu lösen.
