La densità del carburo di silicio

Il carburo di silicio (SiC) è uno dei materiali ceramici avanzati più leggeri, duri e resistenti, con una resistenza superiore agli acidi, ai sali fusi, alla bassa espansione termica e all'abrasione. Inoltre, la sua forza e rigidità gli consentono di resistere all'usura fisica, come l'erosione o l'usura degli ugelli di spruzzatura o di altri componenti di un'applicazione.

Acheson è stato il pioniere della produzione commerciale di SiC nel 1891, attraverso metodi di incollaggio per reazione o sinterizzazione.

Densità

Il carburo di silicio (SiC) è un composto chimico inorganico costituito da silicio e carbonio. Presente in natura come il raro minerale moissanite, il SiC è stato prodotto in massa sotto forma di polveri o singoli cristalli fin dal 1893 e utilizzato come abrasivo. Inoltre, le piastre di ceramica SiC utilizzate per i giubbotti antiproiettile contengono questo materiale, oltre a essere coltivato come semiconduttore per creare luci LED rosse e luminose, la cui luce verde-blu è un buon materiale abrasivo di superficie.

Il carburo di silicio ha una densità eccezionale di 3,21 g cm-3, che lo rende uno dei composti più densi della Terra. Pur essendo insolubile in acqua, può essere dissolto con alcali come NaOH e KOH e persino con il ferro fuso a temperature superiori a 2700 degC. Inoltre, il carburo di silicio non reagisce rapidamente con l'aria o l'acqua, ma può subire reazioni chimiche a temperature più elevate che producono biossido di silicio amorfo e metano come sottoprodotti.

Il carburo di silicio è un materiale eccellente per i telescopi spaziali grazie alla sua superiore resistenza all'usura e alle sue proprietà di bassa espansione termica e rigidità. La sua bassa espansione consente di raffreddare gli specchi dei telescopi senza che si deformino o si fondano durante il raffreddamento; i telescopi Herschel e Gaia hanno entrambi utilizzato specchi in carburo di silicio.

Il carburo di silicio può essere utilizzato anche come materia prima per i refrattari, grazie alla sua resistenza alle temperature estreme. Per questo motivo, il suo utilizzo come rivestimento isolante in forni e fornaci di varie industrie rende questo materiale una parte essenziale di questi rivestimenti. Inoltre, il carburo di silicio svolge un ruolo importante nella produzione di vetro e materiali ceramici.

La domanda di carburo di silicio a livello mondiale è in rapida espansione, soprattutto nell'area Asia-Pacifico. La rapida espansione di questa regione può essere attribuita all'aumento delle vendite di veicoli elettrici e degli investimenti nelle infrastrutture di ricarica; inoltre, il crescente interesse per le fonti di energia rinnovabili dovrebbe spingere la domanda di carburo di silicio in questa regione.

La svizzera STMicroelectronics N.V., la tedesca Infineon Technologies AG, la statunitense Semiconductor Components Industries LLC, la statunitense WOLFSPEED INC e la giapponese ROHM Co Ltd sono tra gli attori del mercato che stanno espandendo attivamente la loro presenza nel mercato globale del carburo di silicio. Per fare ciò, questi attori hanno implementato strategie di crescita sia organiche che inorganiche, come lanci di prodotti, accordi, partnership, contratti di collaborazione, acquisizioni o espansioni per rafforzare le loro posizioni all'interno di questo settore globale.

Modulo di Young

Il carburo di silicio è uno dei materiali ceramici più duri del pianeta, in grado di sopportare temperature elevate e ambienti chimici, oltre a essere altamente resistente alla corrosione, all'abrasione e all'erosione. Grazie a queste caratteristiche, il carburo di silicio è un ottimo materiale da costruzione con eccellenti proprietà di resistenza alla fatica e stabilità dimensionale.

Il modulo di Young è una proprietà del materiale che misura le proprietà elastiche dei campioni, quantificando quanta forza è necessaria per causare una deflessione sotto carico. Una prova di trazione può essere utilizzata per calcolare il modulo di Young, mentre la sua pendenza può fornire informazioni sui calcoli delle sollecitazioni di flessione e può consentire agli ingegneri di valutare se i nuovi materiali soddisfano criteri applicativi specifici.

Questa ricerca esplora le proprietà di stabilità, meccaniche e termodinamiche di b-Si1-xC eseguendo calcoli di primo principio utilizzando la teoria funzionale della densità (DFT)38 , implementata nel Cambridge serial total energy package (CASTEP). Le interazioni tra ioni ed elettroni sono rappresentate con il metodo dello pseudopotenziale a onde piane aumentate; le funzioni di scambio e correlazione tra gli atomi possono essere descritte con approssimazioni di densità locale o approssimazioni di gradiente generalizzato; a sua volta, l'aumento del drogaggio aumenta la densità, il volume molare e le proprietà del modulo di Young quando il drogaggio aumenta il b-Si1-xC.

In un altro studio, film di a-SiC dello spessore di 100 e 300 nm sono stati coltivati mediante PECVD e le loro caratteristiche sono state studiate mediante ellissometria, AFM e XRR. La conduttività termica e il modulo di Young non hanno mostrato effetti di scala significativi, mentre la densità di massa di questi film sottili è risultata significativamente inferiore a quella del SiC sfuso a causa della ridotta densità di legami all'interno delle microstrutture. Infine, sono state osservate proprietà meccaniche come elevati moduli di Young e stabilità.

La porosità di un materiale può essere direttamente collegata al suo modulo di Young attraverso il suo rapporto di Poisson, poiché il rapporto di Poisson diminuisce con l'aumentare della densità; usando questa relazione, si può calcolare il modulo di Young dinamico usando il suo log sonico. Formulativamente:

Conduttività termica

Il carburo di silicio (SiC) è un interessante materiale semiconduttore con un'eccellente conduttività termica e un basso coefficiente di espansione termica, che lo rendono adatto a molte applicazioni di generazione o trasferimento di calore. Il SiC si trova negli specchi dei telescopi astronomici grazie alla sua leggerezza e rigidità; inoltre, la sua elevata resistenza alla temperatura e la sua conducibilità termica contribuiscono a mitigare la distorsione o la degradazione durante il funzionamento.

La conducibilità termica del SiC è determinata dalla sua composizione e dalla sua struttura: le varietà stechiometriche hanno conducibilità termiche più elevate rispetto a quelle non stechiometriche, a causa degli elettroni liberi che hanno effetti molto più ridotti sulla vibrazione del reticolo rispetto ai fononi, la principale fonte di energia termica generata dalla vibrazione dei cristalli. Le varietà non stechiometriche possono aumentare la loro conducibilità termica con l'aggiunta di piccole quantità di Si o C; tuttavia, la loro conducibilità termica complessiva è ancora inferiore a quella del SiC puro, poiché gli elettroni liberi hanno un impatto molto minore sulla vibrazione del reticolo rispetto ai fononi, che generano energia termica per via termica.

Esistono due principali polimorfi del SiC: il carburo di silicio alfa (a-SiC), con struttura cristallina Wurtzite, e il carburo di silicio beta (b-SiC), con struttura cristallina di zinco blenda. L'A-SiC è la varietà più diffusa con ampie applicazioni commerciali, mentre il secondo ha visto finora una minore attività commerciale.

Una recente ricerca ha esaminato l'effetto della composizione di fase e della microstruttura del b-SiC sulla sua conducibilità termica. Il materiale è stato prodotto mediante sinterizzazione al plasma a scintilla in fase liquida, utilizzando Y2O3 e Al2O3 come coadiuvanti di sinterizzazione; le misurazioni della conduttività termica sono state poi confrontate con quelle del materiale di partenza b-SiC e i risultati hanno dimostrato la correlazione con la composizione di fase/microstruttura della miscela di sinterizzazione.

La conducibilità termica dell'alluminio puro in massa (Al) è di 237 W/mK, ma spesso è molto più bassa per i film sottili. È stata utilizzata una tecnica di analisi termica e di misurazione della risposta agli ultrasuoni per analizzare film sottili di a-SiC con risultati simili: kAl = 210 + 10 W/mK, che corrisponde ai valori riportati in letteratura per l'a-SiC sfuso.

Resistenza alla corrosione

La resistenza alla corrosione del carburo di silicio in ambienti acidi o alcalini è straordinaria e lo rende un materiale ideale per molte applicazioni difficili in cui altri materiali come il metallo si degraderebbero rapidamente. Il carburo di silicio è un materiale eccellente anche per le tenute meccaniche che devono funzionare in ambienti chimici ostili.

La resistenza alla corrosione del carburo di silicio è in parte attribuibile alla sua struttura unica. Cristallizza in una disposizione interbloccata e ravvicinata composta da atomi legati covalentemente che formano tetraedri di coordinazione primaria con quattro atomi di carbonio e quattro di silicio collegati da angoli in strutture politipiche chiamate politipi; tale disposizione e struttura spiegano anche l'elevata conducibilità termica del carburo di silicio.

Il carburo di silicio nella sua forma più pura è un isolante elettrico; tuttavia, con un'attenta aggiunta di impurità - note come droganti - può diventare un semiconduttore elettrico. Drogando il carburo di silicio con droganti di alluminio, boro e gallio si ottengono semiconduttori di tipo P; drogando azoto e fosforo si ottengono dispositivi semiconduttori di tipo N per scopi specifici.

Il carburo di silicio è ampiamente utilizzato nei processi di lavorazione abrasivi come la sabbiatura, la rettifica e il taglio a getto d'acqua, grazie alla sua durezza e durata. La lavorazione lapidaria fa spesso uso del carburo di silicio per la sua lunga durata e le sue proprietà di resistenza all'usura; inoltre, rappresenta un'ottima scelta di materiale grazie alla longevità e alla stabilità dimensionale della lavorazione lapidaria. Inoltre, nelle applicazioni manifatturiere serve come materiale di rivestimento dei forni e viene utilizzato in varie applicazioni metallurgiche o refrattarie grazie alle sue proprietà di estrema resistenza all'usura.

La resistenza alla corrosione è un fattore chiave che determina la velocità di degrado dei materiali negli ambienti. Pertanto, la scelta di un materiale di rivestimento inorganico con un elevato punto di fusione, buone proprietà meccaniche e la capacità di tollerare temperature estreme è fondamentale per proteggere i prodotti dalla degradazione e dalla contaminazione. Il carburo di silicio offre queste qualità ed è quindi un'opzione ideale nella scelta del materiale di rivestimento.

Gli attuali processi di produzione del carburo di silicio per applicazioni abrasivi, metallurgiche e refrattarie comprendono due metodi di produzione: il carburo di silicio legato per reazione (RSiC) e il carburo di silicio sinterizzato (SSiC). Il carburo di silicio legato per reazione viene creato infiltrando miscele di cristalli di SiC con leganti a temperatura e pressione; il carburo di silicio sinterizzato può essere prodotto utilizzando polvere di SiC pura sinterizzata con coadiuvanti di sinterizzazione non ossidati - entrambi i metodi producono prodotti con un'eccellente resistenza alla corrosione e un'estrema durezza/resistenza alla rottura, che si traduce in grandi proprietà meccaniche.