Conduttività termica del carburo di silicio

Il carburo di silicio, o carborundum (), è una ceramica dura prodotta in serie per la prima volta nel 1893 come abrasivo. Sebbene esistano esemplari naturali (gemme di moissanite e piccole quantità di una roccia ignea chiamata corindone), la maggior parte dell'uso moderno avviene per via sintetica.

Il SiC è noto per l'elevata resistenza alla fatica, l'alta conducibilità termica e il basso coefficiente di espansione, che lo rendono adatto alla fabbricazione per resistere alle alte temperature e rimanere forte in ambienti corrosivi.

Proprietà termofisiche

Il carburo di silicio è uno dei pochi materiali con un'elevata conducibilità termica a temperatura ambiente. Grazie alla sua natura dura, rigida e stabile alla temperatura, il carburo di silicio è un materiale eccellente per gli specchi dei telescopi utilizzati dagli astronomi.

La teoria funzionale della densità è stata utilizzata per indagini teoriche sistematiche sui parametri strutturali e sulle proprietà termofisiche a temperatura finita del carburo di silicio cubico (3C-SiC). I nostri risultati relativi alle costanti elastiche e alla microdurezza di Knoop hanno mostrato un accordo soddisfacente con i dati sperimentali e con i risultati dei calcoli pubblicati altrove.

Utilizzando modelli di struttura ottimizzati, abbiamo anche ottenuto stime a livello atomico delle energie di formazione dei difetti per ZrC, TiC e SiC. I risultati hanno rivelato che la temperatura di Debye diminuisce con l'aumentare del numero di atomi del difetto, mentre i difetti CZr antisite e VC mostrano energie di formazione inferiori rispetto ai difetti VSi e Sit; la riduzione dell'energia di formazione può avere un impatto sulla resistenza alla deformazione uniassiale e al taglio delle strutture 3C-SiC.

Proprietà elettriche

Il carburo di silicio è uno dei materiali più duri e termoconduttivi presenti in natura, in grado di resistere agli attacchi di acidi e alcali e di resistere al calore fino a 1600 gradi centigradi senza perdere forza. Inoltre, il carburo di silicio è un eccellente conduttore elettrico.

L'ampio bandgap del carburo di silicio lo rende adatto all'uso in dispositivi semiconduttori come diodi, transistor e tiristori, mentre la sua capacità di sopportare grandi tensioni e correnti lo rende utile anche in dispositivi di potenza elevata.

Il SiC poroso può essere modificato con l'aggiunta di nanopiastrine di grafene (GNP), creando un materiale con proprietà termiche migliorate. Questo materiale può essere prodotto tramite sinterizzazione al plasma a scintilla in fase liquida di polvere di SiC stechiometrica o non stechiometrica; sono state testate varie combinazioni di coadiuvanti di sinterizzazione (Y2O3 e La2O3) per valutarne gli effetti sulla composizione delle fasi, sulla microstruttura e sulla conducibilità termica di materiali porosi con un contenuto di PNL fino a 20 vol%; è stata osservata una dipendenza non monotona dalla temperatura con compositi contenenti fino a 20% di PNL.

Proprietà meccaniche

La composizione unica di atomi di silicio e carbonio nel reticolo cristallino del SiC gli conferisce notevoli proprietà meccaniche che lo rendono uno dei materiali ceramici più duri e resistenti. Altamente resistente alla corrosione da acidi, liscivie, sali fusi e all'abrasione, la rigidità e la forza fanno del SiC una scelta interessante per i componenti resistenti all'usura, come le mole o le punte per mulini, espansori o estrusori.

Oltre a essere leggero, il materiale ceramico presenta un'eccellente resistenza agli shock termici: può sopportare temperature fino a 1600°C senza perdere le sue proprietà meccaniche o l'espansione termica, con bassi tassi di espansione termica e un modulo di Young eccezionalmente elevato che garantisce stabilità dimensionale.

La porosità delle ceramiche porose di SiC varia a seconda del metodo di formazione (incollaggio per reazione o sinterizzazione). Gli studi hanno dimostrato che sia la conducibilità elettrica che la resistenza alla flessione aumentano con l'aumentare del contenuto di B4C, grazie alla sua capacità di adsorbire l'ossigeno dai materiali della matrice Si-C e quindi di diminuire la lunghezza di diffusione dei foni.

Applicazioni

Il carburo di silicio viene utilizzato sia come abrasivo che come utensile da taglio nella produzione. Grazie alla sua superficie dura e resistente al calore, il carburo di silicio può essere utilizzato anche come semiconduttore elettronico in diodi e transistor, poiché la sua tolleranza alla tensione può superare quella del silicio.

La durezza, la resistenza alla corrosione e l'elevata conducibilità termica del carburo di silicio lo rendono un materiale eccellente per dispositivi di protezione come elmetti e piastre di armatura. Inoltre, la sua inerzia chimica fa sì che non reagisca con l'acqua, rendendolo ideale per l'uso in ambienti ad alta umidità come le navicelle spaziali e gli ambienti marini.

Il carburo di silicio ricristallizzato (RSiC) vanta una miscela di proprietà meccaniche, termiche ed elettriche ineguagliabile rispetto a qualsiasi altra variante di SiC. La sua microstruttura densa conferisce all'RSiC un basso coefficiente di espansione, pur mantenendo resistenza e rigidità alle alte temperature; inoltre, presenta valori di modulo elastico relativamente più elevati rispetto alla ceramica di zirconia strutturale e bassi valori di coefficiente di espansione termica rispetto alla ceramica di zirconia strutturale.