Riciclaggio del carburo di silicio

Il carburo di silicio (SiC) è diventato un materiale tecnologico essenziale. Viene utilizzato per abrasivi, ceramiche tecniche e refrattari, oltre che per la produzione di semiconduttori.

Prodotto riscaldando la sabbia di silice mescolata al carbonio sotto forma di coke di petrolio ad alte temperature in enormi forni aperti "Acheson", il SiC viene poi prodotto nelle varianti verde e nera per essere utilizzato come materiale da costruzione.

Abrasivo

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale industriale che trova numerose applicazioni nella produzione di abrasivi, nella produzione di chip per semiconduttori e nella produzione di radio a cristalli (vedi immagine sotto). Il SiC puro è incolore; tuttavia, le impurità di ferro gli conferiscono una tonalità marrone-nera. Inoltre, il SiC serve sia come catalizzatore che come forno ad alta temperatura: cos'altro potrebbe andare storto?

La segatura a filo dei wafer di lingotti di silicio produce grandi volumi di scarti di SiC. Questa miscela comprende SiC in polvere, responsabile della durezza e delle prestazioni di taglio, e polietilenglicole (PEG), che funge sia da supporto che da refrigerante. Durante le operazioni di segatura, la distribuzione granulometrica cambia, inquinandosi con particelle di polvere; ai fini del riutilizzo, deve essere purificata prima di essere riutilizzata.

I ricercatori della Rice University stanno sviluppando un nuovo modo di riciclare i rifiuti di lingotti di silicio in un prodotto abrasivo efficiente dal punto di vista energetico, economico e di alta qualità, utilizzando l'estrazione liquido-liquido e la dissoluzione alcalina per produrre una miscela di polvere con un contenuto di 72% di SiC e 28% di silicio - successivamente utilizzata per smerigliare, lucidare o levigare gli oggetti; può persino essere trovata negli aeroplani o nei mulini a vento!

Veicoli elettrici

L'elettronica di potenza è il cuore dei veicoli elettrici (EV) e alimenterà l'elettrificazione di massa delle auto. Il carburo di silicio (SiC) è diventato un materiale sostitutivo interessante nei sistemi di conversione dell'energia, come gli inverter di trazione principale per i BEV e gli FCEV; ciò consente di migliorare l'efficienza energetica, ridurre le perdite di commutazione, rendere più sicuro il funzionamento ad alta temperatura e aumentare la capacità di tensione all'interno di sistemi più piccoli e leggeri.

Il SiC è diventato un materiale essenziale nel settore dei veicoli elettrici (EV), dai piccoli inverter ai grandi convertitori e accumulatori. Questo settore rappresenta un immenso potenziale di crescita per i produttori di tecnologia SiC; è quindi indispensabile che essi rimangano aggiornati sugli sviluppi che potrebbero modificare la domanda dei loro prodotti.

I nuovi veicoli elettrici utilizzano batterie con capacità molto più elevate e richiedono una maggiore potenza dagli inverter per gestire questo carico, rendendo necessario un numero maggiore di MOSFET per inverter e aumentando potenzialmente la domanda di MOSFET al carburo di silicio.

Per soddisfare questa crescente domanda, le aziende devono sviluppare una solida strategia di riciclaggio che tenga conto delle dinamiche del mercato, della catena del valore e della tecnologia. Le aziende in grado di sviluppare rapidamente le capacità chiave e di formare partnership che supportino il business dei veicoli elettrici otterranno un vantaggio competitivo e creeranno valore; inoltre, dovranno rivedere le tempistiche di reinvestimento per assicurarsi di non rimanere indietro rispetto alla curva della domanda.

Semiconduttori

Il carburo di silicio (SiC) è un minerale industriale sintetico ampiamente utilizzato in numerosi settori grazie alle sue eccezionali proprietà, come la durezza, la resistenza alle alte temperature e la resistenza chimica. Mentre la moissanite si trova naturalmente solo in tracce in alcuni meteoriti o depositi di corindone, la maggior parte del SiC prodotto oggi si presenta in forma sintetica sotto forma di granuli o polvere.

Sfortunatamente, gran parte del materiale che entra nelle linee di produzione finisce come sottoprodotto dei processi produttivi, con molte scorie (contenenti silicio e carbonio) che finiscono tipicamente scartate nei forni come rifiuti. Finora, l'unica opzione era l'incenerimento o la solvolisi, che richiedono molta energia e producono sottoprodotti pericolosi.

I ricercatori hanno sviluppato un processo chiamato flash upcycling per trasformare queste scorie in carburo di silicio (SiC) di alta qualità. Riscaldandole a temperature che raggiungono i 2.400 gradi centigradi in un forno ad atmosfera inerte, il flash upcycling produce carburo di silicio puro che può essere utilizzato in molte applicazioni.

Esistono processi di separazione e purificazione per queste scorie, ma la loro capacità di recuperare applicazioni di alta qualità è limitata a causa delle limitazioni della dimensione dei grani e dei problemi di prestazione di taglio; gli attuali metodi di riciclaggio prevedono il downcycling o il deponierung; Fraunhofer IKTS ha creato un metodo accessibile per riciclare i rifiuti di SiC in polvere utilizzando processi e prodotti semplici ed economici.

Medico

Il carburo di silicio è una ceramica non ossidata, dura e resistente, con una serie impressionante di proprietà fisiche e chimiche, come l'elevata resistenza, la bassa espansione termica e la capacità di resistere a temperature estreme - qualità che lo hanno reso popolare come materiale refrattario e come componente dell'elettronica di potenza per veicoli elettrici e trasmettitori wireless 5G. Purtroppo, i costi di produzione del carburo di silicio rimangono relativamente elevati.

Il SiC è ampiamente riconosciuto per la sua forma cristallizzata di altissima qualità, utilizzata per applicazioni mediche come utensili da taglio e impianti chirurgici. Secondo le stime, i suoi costi di produzione annuali potrebbero raggiungere $1,5 miliardi!

I ricercatori hanno sviluppato con successo un metodo ecologico per produrre carburo di silicio dai rifiuti di vetro e plastica. Utilizzando un processo di flash upcycling ad alta efficienza energetica, hanno trasformato le plastiche rinforzate con fibre di vetro (GFRP) a fine vita in carburo di silicio (SiC). Il GFRP è un materiale abbondante che si trova ovunque, dalle parti degli aerei alle pale dei mulini a vento, ma le sue qualità di resistenza e durevolezza spesso ne rendono difficile il riciclaggio quando il suo ciclo di vita è giunto al termine.

Il flash upcycling è un'alternativa ecologica all'incenerimento e alla solvolisi, che utilizzano sostanze chimiche tossiche. Inoltre, l'analisi del ciclo di vita dimostra che questo sistema rigenerativo produce meno consumo di energia, emissioni di gas serra e consumo di acqua rispetto ai metodi tradizionali di smaltimento degli FRP.