Siliziumkarbid (SiC) wird aufgrund seiner hervorragenden thermischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften häufig zur Herstellung von Tiegeln verwendet . SiC-Tiegel werden insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen wie Metallschmelzen, Kristallwachstum (z. B. Siliziumbarren) und der chemischen Verarbeitung geschätzt . Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Übersicht über SiC-Tiegel, einschließlich ihrer Vorteile, Typen, Herstellungsverfahren und Anwendungen.
1. Warum Siliziumkarbid für Tiegel verwenden?
Wichtige Eigenschaften von SiC-Tiegeln:
Hohe Wärmeleitfähigkeit (~120 W/m·K) – Sorgt für gleichmäßige Erwärmung und effiziente Wärmeübertragung.
Hervorragende Wärmeschockbeständigkeit – Kann schnellen Temperaturänderungen standhalten, ohne zu reißen.
Hoher Schmelzpunkt (~2.700 °C) – Geeignet für Prozesse bei extremen Temperaturen.
Chemische Inertheit – Beständig gegen Korrosion durch geschmolzene Metalle (z. B. Aluminium, Kupfer, Zink) und saure/alkalische Umgebungen.
Mechanische Festigkeit – Härte (~9,5 Mohs) und Steifigkeit verhindern eine Verformung unter Belastung.
Lange Lebensdauer – In vielen Anwendungen haltbarer als Graphit- oder Ton-Graphit-Tiegel.
2. Arten von SiC-Tiegeln
(A) Tiegel aus gesintertem SiC (SSiC)
Hergestellt durch druckloses Sintern oder Heißpressen von hochreinem SiC-Pulver.
Vorteile : Hohe Dichte, überlegene mechanische Festigkeit und ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit.
Anwendungen : Kristallwachstum bei Halbleitern (z. B. Silizium-Einkristalle), Schmelzen hochreiner Metalle.
(B) Reaktionsgebundene SiC-Tiegel (RB-SiC)
Hergestellt durch Infiltration einer porösen Kohlenstoffvorform mit geschmolzenem Silizium, wodurch durch Reaktion SiC entsteht.
Vorteile : Niedrigere Kosten als SSiC, gute Wärmeschockbeständigkeit.
Nachteile : Enthält freies Silizium (~8–15 %), was die chemische Beständigkeit in einigen Umgebungen verringert.
Anwendungen : Schmelzen von Nichteisenmetallen (z. B. Aluminium, Messing).
(C) Tongebundene SiC-Tiegel
Hergestellt durch Mischen von SiC-Körnern mit Tonbindemitteln und Brennen.
Vorteile : Billiger, einfacher herzustellen.
Nachteile : Geringere Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit im Vergleich zu reinem SiC.
Anwendungen : Gießereien zum Schmelzen von Nichteisenmetallen.
3. Herstellungsprozess von SiC-Tiegeln
Pulvervorbereitung : Es wird hochreines SiC-Pulver ausgewählt (normalerweise α-SiC zum Sintern).
Umformung :
Isostatisches Pressen (für SSiC) oder Schlickerguss (für RB-SiC).
Bei tongebundenen Tiegeln kommt das traditionelle Pressen oder Extrudieren zum Einsatz.
Sintern/Reaktionsbinden :
SSiC : Gesintert bei ~2.000 °C unter inerter Atmosphäre.
RB-SiC : In Kontakt mit Silizium auf ~1.600 °C erhitzt.
Bearbeitung und Endbearbeitung : Schleifen auf präzise Abmessungen.
Qualitätskontrolle : Prüfung auf Dichte, Porosität und Temperaturschockbeständigkeit.
4. Anwendungen von SiC-Tiegeln
| Industrie | Anwendung | Bevorzugter SiC-Typ |
|---|---|---|
| Metallurgie | Schmelzen von Aluminium-, Kupfer- und Zinklegierungen | RB-SiC, tongebunden |
| Halbleiter | Züchtung von Silizium-/Galliumarsenidkristallen | SSiC (hohe Reinheit) |
| Schmuck/Glas | Edelmetallguss, Glasschmelzen | RB-SiC, SSiC |
| Chemisch | Ätzende chemische Reaktionen | SSiC (hohe Beständigkeit) |
5. Vergleich mit anderen Tiegelmaterialien
| Material | Max. Temp. | Thermoschock | Chemische Beständigkeit | Kosten |
|---|---|---|---|---|
| SiC (SSiC) | ~2.700 °C | Exzellent | Exzellent | Hoch |
| Graphit | ~3.000 °C | Gut | Schlecht (oxidiert an der Luft) | Medium |
| Aluminiumoxid (Al₂O₃) | ~1.800 °C | Mäßig | Gut | Niedrig |
| Quarz | ~1.200 °C | Arm | Ausgezeichnet (aber spröde) | Medium |
→ SiC wird bevorzugt, wenn eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und Haltbarkeit entscheidend sind.