Che cos'è il carburo di silicio?

Il carburo di silicio è un materiale estremamente duro e resistente, con un'elevata densità, un'eccezionale resistenza alla corrosione e straordinarie proprietà tribologiche. È disponibile sia in forma sinterizzata che in forma reattiva.

La sinterizzazione senza pressione fornisce un'elevata densificazione grazie alla riduzione dell'energia superficiale dei grani dovuta alla reazione tra boro e carbonio1 , ma la sua elevata temperatura porta a un'eccessiva crescita dei grani che compromette le proprietà meccaniche.

La forza

Il carburo di silicio, comunemente chiamato carborundum, è un composto chimico duro composto da silicio e carbonio che si trova in natura in minerali rari come la moissanite; tuttavia, più comunemente viene prodotto in serie sotto forma di polvere e granuli da utilizzare come abrasivo e piastre ceramiche nei giubbotti antiproiettile. Il carborundum è in grado di resistere alle alte temperature, pur rimanendo resistente agli agenti chimici, tra cui acidi come l'acido fosforico, solforico e nitrico.

Il carburo di silicio sinterizzato ha trovato ampia applicazione in tutti i settori industriali, dall'aerospaziale all'astronomia, grazie alle sue notevoli proprietà di isolamento termico. Il materiale refrattario in carburo di silicio sinterizzato vanta anche una notevole durata e può essere lavorato con precisione utilizzando attrezzature costose per ottenere tolleranze precise.

La ceramica di carburo di silicio è disponibile in due varietà: a legame reattivo e sinterizzata. Il carburo di silicio a legame reattivo viene prodotto infiltrando compatti composti da SiC e carbonio con silicio liquido, creando una maggiore quantità di SiC che si lega alle particelle iniziali formando particelle di carburo di silicio a legame reattivo che aderiscono più facilmente delle sue controparti sinterizzate, pur rimanendo economicamente vantaggiose grazie alla ridotta resistenza e durezza.

Il carburo di silicio sinterizzato viene prodotto riscaldando le materie prime a temperature estremamente elevate in atmosfera inerte, trasformandole in un materiale estremamente resistente che può essere utilizzato in varie applicazioni, come parti di usura per pompe da sabbia e cicloni minerari. Inoltre, presenta un'eccellente resistenza alla corrosione e proprietà di bassa espansione termica.

Durezza

Il carburo di silicio legato per reazione (RSiC) viene prodotto pressando e sinterizzando (riscaldando) le particelle di polvere, creando un pezzo solido di materiale con elevata forza, durezza e resistenza alla corrosione e all'ossidazione, sebbene non sia duro come il carburo di silicio sinterizzato.

Il carburo di silicio sinterizzato è una ceramica tecnica con forti legami covalenti, che offre eccellenti proprietà meccaniche alle alte temperature. Questo materiale vanta una grande durezza e resistenza all'usura, alla corrosione chimica, all'ossidazione e agli shock termici, oltre a un'ottima conducibilità termica, che lo rende adatto all'uso in ambienti difficili.

La sinterizzazione in fase liquida produce materiali di elevata purezza con una microstruttura uniforme, più compatta rispetto ai processi di sinterizzazione allo stato solido. Le variazioni dimensionali durante la densificazione sono minime; è possibile produrre pezzi precisi con forme complesse. Gli additivi di sinterizzazione di boro e carbonio possono modificare le energie dei confini dei grani e le energie superficiali, migliorando la velocità di diffusione del volume e limitando la formazione di vetro tra i grani.

I risultati della sinterizzazione allo stato solido presentano una resistenza allo scorrimento in compressione superiore rispetto alle loro controparti convenzionali, grazie all'aumento dell'energia cinetica del silicio cristallino e all'accelerazione del movimento delle dislocazioni all'interno delle regioni granulari, nonché all'aumento della concentrazione di silicio metallico che contribuisce a ridurre i tassi di scorrimento rallentando la diffusione del SiC attraverso i confini dei grani.

Resistenza alla corrosione

Il carburo di silicio offre un'eccellente resistenza alla corrosione, all'ossidazione e all'usura, qualità che lo rendono un materiale adatto ad ambienti difficili dove altri materiali potrebbero deteriorarsi nel tempo. Inoltre, il carburo di silicio può resistere a temperature fino a 1.900 gradi centigradi, il che lo rende adatto ai processi chimici in cui le apparecchiature possono entrare in contatto con sostanze chimiche e gas altamente acidi che si corrodono più facilmente del previsto.

Sia il carburo di silicio sinterizzato allo stato solido (SSiC) che le ceramiche di carburo di silicio infiltrate nel silicio sono risultati stabili in varie soluzioni chimiche, anche se queste ultime hanno una minore stabilità alla corrosione a causa del silicio libero. Per esplorare questi meccanismi, abbiamo condotto esperimenti di corrosione a breve e lungo termine su SiSiC in soluzione NaOH, utilizzando sia misure accurate della profondità di corrosione sulle superfici lucidate sia la microscopia elettronica a scansione sui prodotti di corrosione.

Il carburo di silicio legato per reazione (RBSiC) viene prodotto infiltrando silicio liquido in preforme porose di carbonio o grafite e facendolo reagire in SiC. L'RBSiC si differenzia dalla sua controparte SSiC, più costosa, per diversi aspetti: innanzitutto ha una resistenza e una durezza inferiori, ma costa molto meno per produrlo ed è più permeabile al passaggio di gas e liquidi; inoltre, presenta una buona resistenza all'abrasione, alla corrosione e agli shock termici, che ne consentono l'uso in applicazioni come gli ugelli dei bruciatori o i tubi per getti e fiamme; infine, presenta anche una buona resistenza agli shock termici, per consentire rapidi cambiamenti di temperatura senza risentirne.

Conduttività termica

Il carburo di silicio sinterizzato vanta una delle conducibilità termiche più elevate tra i materiali ceramici non ossidati, il che lo rende adatto ad applicazioni che comportano temperature elevate, come le applicazioni di SiC per deposizione da vapore chimico (CVD) o carburo di silicio legato per reazione.

Situata vicino al nucleo, la sua struttura cristallina contribuisce ad aumentare la conducibilità termica per una ceramica ad alte prestazioni termiche. In grado di sopportare carichi ad alta temperatura con pochi danni e di resistere alla corrosione, all'ossidazione e alla fatica, questo materiale rappresenta una scelta eccellente per le applicazioni di tenuta delle pompe, in quanto può rimanere resistente alla pressione e alla temperatura per periodi prolungati.

Questo tipo di ceramica vanta anche una tenacità superiore, il che significa che può resistere agli urti e alle vibrazioni meglio di altri materiali ceramici. Inoltre, la sua forza e la sua resistenza all'ossidazione sono tra le più elevate della categoria.

La sinterizzazione in fase liquida (LPS) è una tecnica innovativa per la densificazione del carburo di silicio che utilizza additivi per la sinterizzazione di ossidi eutettici per densificare a temperature più basse rispetto a quelle tradizionali, risparmiando così sui costi di produzione e riducendo contemporaneamente la porosità del prodotto finito.

Le immagini HRTEM di campioni LPS-SiC con diversi additivi di sinterizzazione dimostrano come l'aumento dell'additivo uniformi la distribuzione della fase liquida tra i grani di SiC, portando a una densificazione, a una maggiore densità relativa e a un miglioramento della resistività elettrica, proprietà fondamentali per le applicazioni che utilizzano le frequenze delle microonde e delle onde millimetriche.