Applicazioni del carburo di silicio

Il carburo di silicio è un materiale estremamente utile che trova applicazione in numerosi settori industriali. Pur essendo presente in natura nei depositi minerari di moissanite, la maggior parte della produzione di carburo di silicio (SC) avviene oggi per via sintetica.

Grazie all'elevata tensione di rottura e alla bassa resistenza all'accensione, i wafer di silicio sono componenti eccellenti per i dispositivi a semiconduttore. Inoltre, la loro resistenza alla corrosione garantisce la sopportazione di temperature elevate e di problemi legati alla corrosione.

Strumenti abrasivi

Il carburo di silicio (comunemente chiamato "carborundum") è un materiale ceramico durevole con eccezionali proprietà di resistenza alle alte temperature e di espansione termica. Per questo motivo, è ampiamente utilizzato nelle applicazioni di sabbiatura in cui sono necessari mezzi durevoli per eliminare la ruggine, preparare i prodotti per la verniciatura o rimuovere le vecchie finiture dalle superfici. Viene comunemente formato in una grana angolare prima di essere riscaldato a 1200-1400° C per l'incollaggio in prodotti abrasivi sciolti o solidi.

Gli abrasivi al carburo di silicio vengono prodotti attraverso un processo noto come riduzione carbotermica. A tal fine, una miscela di sabbia di silice pura, coke e sale viene riscaldata in un forno a resistenza elettrica fino a quando la materia carboniosa funge da elettrodo e si lega chimicamente alle molecole di silice per formare la graniglia di carborundum. Una volta terminato il riscaldamento, questa graniglia verde viene ulteriormente macinata prima che la classificazione delle dimensioni delle particelle garantisca che i prodotti realizzati soddisfino le specifiche esigenze industriali e dei clienti.

Il carburo di silicio si distingue tra gli altri materiali abrasivi per la sua estrema durezza, pari a 9 nella scala di Mohs (superata solo dal diamante e dal carburo di boro). Grazie a questa eccezionale durezza, il carburo di silicio è un materiale ideale per tagliare o smerigliare materiali duri e fragili con una forza minima.

Oltre che per le applicazioni di sabbiatura, gli abrasivi al carburo di silicio sono la scelta ideale per levigare e smerigliare metalli, pietra, vetro, sughero, legno e plastica. Sebbene siano meno resistenti delle loro controparti in ossido di alluminio, i loro grani abrasivi affilatissimi consentono alle applicazioni a pressione leggera di tagliare facilmente questi materiali. Il carburo di silicio si trova anche nelle mole, nella carta vetrata, nelle mole vetrificate e resinoidi e negli ugelli per sabbiatura.

Utensili da taglio

Il carburo di silicio è ampiamente utilizzato come materiale abrasivo nelle mole, negli utensili da taglio, nella carta vetrata e nei processi di produzione della ceramica. Anche le ceramiche fanno grande uso di questo materiale estremamente duro, poiché la sua durezza consente di lavorarlo o intagliarlo con vari strumenti per ottenere forme o finiture specifiche. Grazie alla sua economicità e resistenza all'usura, è diventato un materiale interessante per la creazione di materiali abrasivi a lungo termine come le mole.

Il carburo di silicio è comunemente utilizzato per realizzare utensili di foratura e lavorazione, tra cui punte piene e punte con inserti indicizzabili, per il taglio di metalli come acciai e leghe di alluminio, nonché di materiali ad alta temperatura come il titanio o le leghe di nichel. Grazie alla sua durezza, questi materiali si danneggiano raramente anche durante le lavorazioni ad alta velocità.

Il carburo di silicio vanta un punto di fusione e una conducibilità termica elevati, che lo rendono altamente resistente all'abrasione, alla corrosione e ad altri processi chimici associati ai processi di lavorazione. La sua resilienza gli consente di tagliare una vasta gamma di materiali, dai metalli ai compositi, fino alle ceramiche.

L'allumina temprata con zirconio e l'allumina rinforzata con cromo sono esempi di materiali ceramici che si sono dimostrati superiori al carburo di tungsteno per l'uso in utensili da taglio per materiali duri e fragili, grazie alla loro maggiore durezza, alla resistenza alla compressione, all'inerzia chimica a temperature elevate e alla loro maggiore conducibilità termica che consente una più rapida dissipazione del calore, riducendo così le possibilità di danni termici ai pezzi e garantendo una maggiore durata degli utensili [3]. [4,5]

Materiali resistenti al calore

Il carburo di silicio è un materiale versatile utilizzato per applicazioni che vanno dagli abrasivi e dai refrattari alle ceramiche e alle applicazioni ad alte prestazioni. I compositi a matrice ceramica, composti da parti metalliche e polimeriche rinforzate con carburo di silicio, possono aumentare le prestazioni e offrire resistenza al calore; le leghe di alluminio rinforzate con ceramica offrono il doppio della resistenza e 20% una maggiore resistenza al calore rispetto alle leghe di alluminio puro, pur rimanendo due terzi più leggere.

Il SiC è un materiale estremamente duro e chimicamente resistente. È caratterizzato da un'eccellente conducibilità termica, da una buona resistenza all'abrasione e da proprietà di conduzione termica; solo il diamante e il carburo di boro possono reggere il confronto in termini di durezza. Grazie alla combinazione di queste caratteristiche, il SiC è la scelta ideale per la produzione di prodotti ceramici abrasivi, come mole e utensili da taglio; inoltre, viene spesso utilizzato nei refrattari e nelle ceramiche per la sua combinazione di resistenza termica (elevata resistenza al calore) e durata meccanica (resistenza all'abrasione).

Le proprietà uniche del carburo di silicio lo rendono un materiale interessante per la produzione di dispositivi di potenza ad alta velocità, tra cui l'elevato campo critico di breakdown a valanga e l'ampio band gap che consentono di erogare più potenza con un minor numero di dispositivi collegati in serie, riducendo così i costi e la complessità del sistema, mentre la sua bassa resistenza di stato limita la perdita di conversione e aumenta l'affidabilità del dispositivo.

Il SiC si distingue per la combinazione di atomi di silicio e carbonio nella sua struttura, che gli conferisce proprietà elettriche e termiche uniche. È inerte agli acidi e agli alcali, nonché alle alte temperature, e i metodi di fabbricazione includono l'incollaggio per reazione e i processi ceramici convenzionali come la pressatura a caldo e la sinterizzazione senza pressione. Il processo di sinterizzazione è relativamente semplice e produce corpi sinterizzati con proprietà meccaniche ad alta densità, la cui microstruttura finale può essere controllata attraverso la scelta del coadiuvante di sinterizzazione, l'aggiunta di legante e le condizioni di pressatura e sinterizzazione.

Materiali resistenti all'usura

Il carburo di silicio è un materiale estremamente duro, con un'eccellente resistenza all'abrasione e alla meccanica, che lo rende adatto a varie applicazioni in un ampio spettro di temperature. Inoltre, la sua forte resistenza alla compressione aggiunge durata alle sollecitazioni meccaniche che possono verificarsi nel tempo, rendendolo il materiale ideale da scegliere per gli usi industriali in cui possono essere presenti carichi pesanti o velocità elevate.

Il carburo di silicio (SiC) è uno dei materiali ceramici più leggeri e duri. La sua struttura cristallina stratificata comprende atomi di silicio e carbonio legati tra loro attraverso una configurazione di legame tetraedrica per formare vari politipi con proprietà diverse; la forma alfa (a-SiC), con la sua struttura cristallina esagonale simile alla Wurtzite, si trova comunemente nelle applicazioni industriali; mentre la forma beta (struttura cristallina zn blenda) è più rara.

Il carburo di silicio offre una resistenza all'usura superiore rispetto ai tipi di acciaio; tuttavia, la resistenza all'usura da impatto del carburo di silicio legato al nitruro è molto più bassa, il che ne limita l'uso su larga scala come parti di lavorazione del suolo.

Il materiale composito di carburo di silicio legato per reazione (RBSC) è progettato per applicazioni che richiedono un'eccezionale resistenza all'usura, eccellenti proprietà refrattarie, stabilità chimica e un forte rapporto forza-peso. L'RBSC può essere formato in forme complesse con eccellenti rapporti forza-peso, pur rimanendo resistente all'ossidazione e alle temperature, ideale per la rettifica e il taglio di materiali refrattari. È comunemente impiegato nelle macchine di rettifica utilizzate per questo scopo.

Materiali per alte temperature

La selezione dei materiali per le applicazioni gravose richiede la scelta di materiali con un'elevata resistenza termica e chimica; per questo motivo il carburo di silicio è diventato una delle scelte preferite dalle miniere, dalle operazioni di raffinazione del petrolio e dagli impianti di pompaggio.

Grazie alla sua superiore stabilità termica, il materiale ceramico offre una resistenza e un'integrità eccezionali anche in presenza di temperature elevate. Inoltre, la sua resistenza alla corrosione e agli attacchi chimici lo rende una scelta eccellente per l'uso in ambienti che richiedono livelli di purezza elevati, come la produzione di semiconduttori.

Le proprietà del carburo di silicio come ceramica tecnica sono determinate dalla sua struttura cristallina; i politipi possono presentare proprietà diverse a causa delle differenze nel bandgap. Il bandgap determina il modo in cui la luce può essere assorbita o emessa dai materiali; i materiali con bandgap ampio tendono ad avere tassi di trasmissione più elevati, mentre quelli con bandgap più stretto hanno tipicamente tassi di trasmissione ridotti.

La conducibilità termica del carburo di silicio, fino a 4,9 Watt per metro quadrato Kelvin, è una delle sue caratteristiche principali per molte applicazioni, in quanto consente al materiale di resistere facilmente ad ambienti ad alta temperatura. Questa caratteristica è particolarmente importante quando viene utilizzato come materiale refrattario o per parti resistenti all'usura, dove l'elevata stabilità termica è fondamentale.

La maggiore resistenza alla tensione del carburo di silicio rispetto al silicio lo rende una scelta interessante per i componenti elettrici ad alta tensione, come i semiconduttori e i sensori di pressione, dove potrebbero verificarsi cricche a tensioni più elevate; la sua resistenza supera di 10 volte i sistemi a 1000V rispetto al silicio e al nitruro di gallio.