Warum verwendet man schwarzes Siliziumkarbid für Dämmplatten?

Warum verwendet man schwarzes Siliziumkarbid für Dämmplatten?

Schwarzes SiC wurde aufgrund seiner einzigartigen Kombination von Eigenschaften ausgewählt, die den Herausforderungen einer Hochtemperaturumgebung direkt begegnen.

1. Außergewöhnliche Temperaturwechselbeständigkeit

Dies ist der wichtigste Grund. Siliziumkarbid (SiC) besitzt eine sehr  hohe Wärmeleitfähigkeit  (ca. 120–140 W/m·K), was für eine Dämmplatte zunächst widersprüchlich erscheinen mag. Wird es jedoch als Zuschlagstoff in einer porösen, isolierenden Matrix verwendet, wirkt es wie ein Netzwerk von Wärmeleitungen.

• Wirkungsweise:  Wird eine Seite der Platine schnell erhitzt, verteilen die SiC-Partikel die Wärmeenergie rasch im gesamten Material. Dadurch wird die Bildung starker Temperaturgradienten und der daraus resultierenden Spannungen, die zu Rissen führen können, verhindert. Die umgebende poröse Matrix gewährleistet weiterhin die Gesamtdämmwirkung.

2. Hohe mechanische Festigkeit und Härte

• SiC ist eines der härtesten verfügbaren Materialien (Mohs-Härte ~9,5). Durch den Einsatz von SiC werden die Eigenschaften der Platine deutlich verbessert:

  • Kaltbruchfestigkeit:  Die Platte hält hohen Belastungen bei Raumtemperatur stand.

  • Abriebfestigkeit:  Die Platte ist weniger anfällig für Abnutzung durch Gasströmungen oder physischen Kontakt.

  • Hochtemperaturfestigkeit (Heißbruchmodul):  Es behält seine Festigkeit bei Temperaturen, bei denen andere Materialien weich werden würden.

3. Hohe Wärmeleitfähigkeit (als strategischer Vorteil)

Wie bereits erwähnt, dient dies der  Wärmeregulierung  , nicht nur der Wärmeabweisung. Es ermöglicht Folgendes:

• Schnellere Aufheiz- und Abkühlzyklen ohne Beschädigung der Platine.

• Gleichmäßigere Temperaturverteilung im Ofen oder Brennofen.

4. Ausgezeichnete Feuerfestigkeit

• Schwarzes SiC besitzt einen hohen Schmelzpunkt (ca. 2730 °C bzw. 4946 °F) und ist in inerten oder reduzierenden Atmosphären bis ca. 1600 °C stabil. Dadurch eignet es sich für anspruchsvollste Hochtemperaturanwendungen.

Wichtige Überlegungen und Herausforderungen

Die Verwendung von schwarzem SiC ist nicht ohne Nachteile, die bei der Herstellung und Anwendung sorgfältig beachtet werden müssen.

1. Oxidation

• Das Problem:  Oberhalb von etwa 900°C beginnt SiC in einer oxidierenden Atmosphäre (Luft) zu oxidieren und bildet eine Siliciumdioxidschicht (SiO₂) auf der Oberfläche.

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• Die Folgen:

  • Die SiO₂-Schicht kann im Laufe der Zeit zu einer allmählichen Degradation und Schwächung der SiC-Partikel führen.

  • Der Oxidationsprozess führt zu einer leichten Volumenausdehnung, die innere Spannungen erzeugen kann.

• Abhilfe:  Hersteller fügen der Mischung häufig Antioxidationsmittel (z. B. metallisches Silizium) hinzu, die bevorzugt oxidieren und so die SiC-Partikel schützen.

2. Kosten

• Schwarzes Siliciumcarbid ist teurer als andere gängige feuerfeste Zuschlagstoffe wie gebrannter Feuersteinton, Bauxit oder sogar weißes Schmelztonerde. Dies erhöht die Endkosten der Dämmplatte.

3. Kontrollierte Porosität für die Wärmedämmung

• Da SiC dicht und leitfähig ist, muss der Hersteller die übrige Leiterplattenstruktur sorgfältig konstruieren, um eine geringe Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten. Dies geschieht typischerweise durch:

  • Verwendung hochporöser Füllstoffe wie  Aluminiumoxidblasen  oder  Mulitkugeln .

  • Einbeziehung organischer, ausbrennbarer Materialien, die Lufteinschlüsse hinterlassen.

  • Schaffung einer feinen, geschlossenzelligen Porenstruktur.

Typische Zusammensetzung einer SiC-verstärkten Isolierplatte

Eine typische Formulierung könnte folgendermaßen aussehen:

• 60-70%:  Aluminiumoxidblasen / Mulit-Zuschlagstoffe (Primärer Dämmstoff)

• 15-25 %:  Schwarzes Siliziumkarbidgranulat (Bewehrungszuschlagstoff)

• 10-15%:  Reaktives Aluminiumoxidpulver + Ton (Bindemittelmatrix)

• 1-3 %:  Antioxidationsmittel (z. B. Siliziummetallpulver)

• + Bindemittel:  Zum Beispiel Phosphate oder kolloidales Siliciumdioxid, um den Grünling vor dem Brennen zusammenzuhalten.

Gängige Anwendungen

Platinen mit schwarzem SiC werden in den anspruchsvollsten Bereichen eingesetzt:

• Heiße Seiten des Ofens:  Die innere Auskleidung, die direkt den Flammen und hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

• Ofenwagenaufsätze:  Die Konstruktion, die die Ware in einem Rollenherd- oder Tunnelofen hält und eine hohe Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit erfordert.

• Brennerblöcke:  Umgebende Hochgeschwindigkeitsbrenner, bei denen extreme Temperaturschwankungen auftreten.

• Wärmebehandlungsöfen:  Für Prozesse, die schnelle Zyklen erfordern.

• Hinterisolierung:  Hinter dichten feuerfesten Gießmassen zur Gewährleistung der strukturellen Integrität.

Zusammenfassung: Schwarzer SiC vs. Alternativen

Abschluss

Schwarzes Siliciumcarbid ist ein hochwertiger Zusatzstoff, der herkömmliche Keramikdämmplatten in ein leistungsstarkes, langlebiges und thermisch robustes Produkt verwandelt.  Seine Hauptaufgabe besteht darin, eine unübertroffene Temperaturwechselbeständigkeit und strukturelle Integrität in Umgebungen zu gewährleisten, in denen schnelle Temperaturwechsel und mechanische Belastungen eine ständige Herausforderung darstellen. Obwohl seine Kosten und Oxidationsanfälligkeit Nachteile sind, machen die Leistungsvorteile in kritischen Anwendungen es zu einem unverzichtbaren Werkstoff.