Conduttività termica del carburo di silicio

Il carburo di silicio è uno dei materiali ceramici avanzati più duri e durevoli. È in grado di mantenere la sua forza alle alte temperature e di resistere agli acidi, agli alcali e ai sali fusi.

Il SiC CVD, prodotto attraverso la deposizione di vapore chimico, è una forma estremamente pura con una conducibilità termica superiore rispetto al SiC sinterizzato o legato per reazione.

È un semiconduttore

Il carburo di silicio (SiC) è un semiconduttore inorganico con una struttura esagonale e forti legami covalenti. La sua composizione chimica comprende tre atomi di silicio legati a un atomo di carbonio, il che rende il materiale estremamente resistente e in grado di sopportare temperature e tensioni elevate, oltre a campi elettrici più potenti rispetto al silicio tradizionale. Il SiC può resistere a temperature più elevate rispetto alla sua controparte a base di silicio grazie al suo ampio band-gap.

A temperature elevate, sono resistenti agli attacchi chimici, mentre l'elevato modulo di Young li rende adatti alle applicazioni dell'elettronica di potenza. Le basse perdite di commutazione e il rapido tempo di recupero inverso consentono di ottenere elevate tensioni di accensione con perdite di commutazione minime per una rapida velocità di commutazione, rendendo questo dispositivo un eccellente sostituto degli IGBT o dei transistor bipolari nelle applicazioni che richiedono elevate tensioni di breakdown.

Recentemente, un team dell'Università del Maryland ha riportato valori di conducibilità termica isotropica a temperatura ambiente da record per cristalli massicci di 3C-SiC su scala wafer; questi risultati sono superiori di oltre 50% rispetto al 6H-SiC e all'AlN disponibili in commercio. La maggiore conduttività è stata attribuita all'abbondante contenuto di nanopiastrine di grafene allineate parallelamente e perpendicolarmente agli assi di pressatura SPS all'interno della matrice.

Il carburo di silicio eccelle nella dissipazione del calore, il che limita la sua temperatura e tensione massima di esercizio. Grazie alla sua resistenza alla corrosione e agli shock termici, all'elevata resistenza meccanica e al basso coefficiente di espansione, il carburo di silicio è stato a lungo utilizzato come supporto per i vassoi dei wafer e come palette nei forni per semiconduttori, oltre che per i regolatori di temperatura e i varistori.

È un isolante

Il carburo di silicio (SiC) è da tempo utilizzato come materiale semiconduttore nei dispositivi elettronici. È duro, forte e durevole; è resistente alla corrosione; ha un elevato punto di fusione; può sopportare tensioni e temperature elevate, il che lo rende adatto all'uso in applicazioni industriali. Il SiC si trova naturalmente nei gioielli di moissanite e in piccole quantità all'interno di meteoriti, depositi di corindone e kimberlite; tuttavia, la maggior parte del carburo di silicio venduto in tutto il mondo è prodotto sinteticamente.

Il carburo di silicio si distingue tra le ceramiche per la sua conducibilità elettrica e termica. Grazie alla sua robustezza fisica, al basso tasso di espansione termica e alla resistenza ad acidi e liscivie, il carburo di silicio è diventato uno dei materiali preferiti per applicazioni ingegneristiche estreme come i cuscinetti delle pompe, le valvole, gli iniettori di sabbiatura, le matrici di estrusione, ecc. Inoltre, le sue proprietà semiconduttive lo rendono adatto a dispositivi elettronici come diodi e transistor.

Gli scienziati hanno messo a punto una tecnica che utilizza il carbonio per formare un composto con il SiC. Questo composto può poi essere utilizzato come legante isolante, producendo un corpo sinterizzato in SiC con una costante dielettrica inferiore. Questa soluzione potrebbe rivelarsi più efficiente dei leganti tradizionali, che hanno valori di costante dielettrica molto più elevati che li rendono inadatti all'uso nei dispositivi elettronici; inoltre, la sua natura più stabile resiste all'esposizione ripetuta ad alte tensioni senza subire danni.

Si tratta di un solido

Il carburo di silicio è un solido ad altissima conducibilità termica. Grazie al suo basso coefficiente di espansione e alla sua durezza, il carburo di silicio è una scelta eccellente per i materiali esposti a temperature estreme, come gli specchi dei telescopi. Inoltre, la sua resistenza alla corrosione e all'abrasione lo rende adatto ai materiali da costruzione.

La superiore conduttività termica del carburo di silicio è attribuibile alla sua elevata temperatura di Debye, che consente ai fononi di muoversi liberamente attraverso il suo cristallo. In combinazione con la sua temperatura di esercizio ammissibile e le elevate correnti di saturazione degli elettroni, il carburo di silicio si dimostra superiore ai semiconduttori classici per molte applicazioni importanti.

La struttura monocristallina del carburo di silicio può essere modificata attraverso il drogaggio con vari elementi per produrre semiconduttori policristallini di vario tipo, tra cui il drogaggio con azoto o fosforo per il drogaggio di tipo n e il drogaggio con berillio, boro o alluminio per il drogaggio di tipo p; un materiale di carburo di silicio così drogato è noto come semiconduttore composto.

Il carburo di silicio ha molti usi industriali, dagli utensili per il taglio e la rettifica alle vernici e ai coloranti. Viene persino utilizzato nella stampa al carborundum, una forma artistica di stampa a collage in cui la graniglia di carburo viene applicata direttamente su una lastra di alluminio e poi inchiostrata, dando l'impressione che i segni disegnati vengano premuti sulla carta con la pressione delle lastre da stampa a collage. Inoltre, il carburo di silicio può essere utilizzato nella sublimazione controllata a confinamento per produrre pellicole di grafene di alta qualità con una densità incredibile che supera qualsiasi altro materiale utilizzato durante i processi di produzione per sublimazione, ottenendo strati di grafene densi con proprietà fantastiche.

È un liquido

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale ceramico estremamente duro. Si colloca al terzo posto dopo il diamante e il nitruro di boro cubico nella scala Mohs in termini di durezza. Il SiC può essere utilizzato come materiale abrasivo per utensili e come materiale per il rivestimento di giubbotti antiproiettile; le fabbricazioni realizzate mediante macinazione e sinterizzazione possono produrre prodotti ultra duri con un livello di durezza pari a 9 sulla scala Mohs - più resistenti agli urti dell'ossido di alluminio ma meno del carburo di tungsteno.

Il materiale refrattario disponibile in commercio è il più leggero e il più duro tra quelli disponibili. In grado di resistere a temperature comprese tra -700 e 1400 °C, è altamente resistente alla corrosione e possiede bassi tassi di espansione termica, elevata resistenza meccanica e proprietà di inerzia chimica che lo rendono adatto a impianti chimici, mulini, espansori ed estrusori.

Il carburo di silicio può essere formato in piccole quantità mediante pressatura a secco o sinterizzato in un forno a vuoto, anche se le forme sinterizzate sono preferite per le loro maggiori proprietà fisiche e per i metodi di produzione meno economici rispetto alla lavorazione. Il SiC poroso deve essere sinterizzato con un legante denso per massimizzare le proprietà fisiche e prevenire la formazione di strutture cellulari che lo incrinerebbero o lo frantumerebbero in seguito; questi metodi sono anche più economici di quelli di lavorazione. In alternativa, è possibile produrre volumi più grandi attraverso la deposizione di vapore chimico dalla polvere.