Formula del carburo di silicio

Il carburo di silicio, più comunemente chiamato carborundum, è una ceramica non ossidata, dura e resistente, con proprietà fisiche uniche, spesso utilizzata negli abrasivi e nelle applicazioni metallurgiche.

Il SiC è stato inizialmente prodotto con il processo Acheson; oggi viene prodotto in massa con un forno a resistenza elettrica, mescolando sabbia di silice pura con coke finemente macinato, ottenendo cristalli da giallo-verde a bluastro-nero con un'iridescenza che spicca.

Proprietà fisiche

Il carburo di silicio (SiC) è un composto cristallino estremamente duro di silicio e carbonio, noto come Moissanite, individuato per la prima volta allo stato naturale (il meteorite Canyon Diablo in Arizona) dal chimico premio Nobel Henri Moissan nel 1893 nell'ambito delle sue ricerche sui materiali naturali.

Il carburo di silicio ha una struttura cristallina stratificata e si presenta in vari politipi con specifiche disposizioni di impilamento degli atomi di silicio e di carbonio, una disposizione nota come 3C-SiC; sebbene esistano oltre 100 altre strutture con proprietà chimiche e fisiche simili.

Il carburo di silicio può essere trasformato in materiali ceramici mediante sinterizzazione (legando le particelle tra loro ad alte temperature) con vari metodi. Uno dei processi più diffusi è il SiC legato per reazione, noto anche come Hexoloy(r), che utilizza polvere di sic legata per reazione mescolata con materie prime di carbonio poroso attraverso la formatura additiva, la colata o l'estrusione per produrre materiale ceramico completamente densificato con proprietà chimiche e meccaniche eccezionali, in grado di funzionare anche a temperature di utilizzo estreme.

Proprietà chimiche

Il carburo di silicio ha molte proprietà benefiche che lo rendono un prezioso composto industriale. È chimicamente inerte e resistente alla corrosione. Inoltre, il carburo di silicio è un eccellente abrasivo che ha trovato largo impiego nella moderna lapidaria grazie alla sua durata e alla durezza Mohs di 10,5.

Questo materiale cristallino può essere drogato per produrre semiconduttori di tipo n e di tipo p. Il drogaggio di azoto produce il primo e quello di gallio, alluminio o boro il secondo. Ha una tolleranza alle alte temperature e non reagisce con gli alcali o con la maggior parte delle sostanze organiche, ad eccezione dell'acido fluoridrico.

La straordinaria resilienza del carburo di silicio lo ha portato a essere utilizzato in diverse applicazioni, dai dischi freno in ceramica per auto sportive e giubbotti antiproiettile, alle guarnizioni per alberi di pompe, grazie alla sua elevata conducibilità termica e alla capacità di dissipare il calore di attrito prima che si trasferisca sulle superfici dei cuscinetti in acciaio. Inoltre, la sua complessa composizione chimica fa sì che esistano molteplici forme o politipi contenenti diverse strutture cristalline e disposizioni di legame all'interno dei suoi composti.

Proprietà elettriche

Il carburo di silicio ha ottenuto un nuovo riconoscimento negli ultimi anni grazie alle sue eccezionali proprietà meccaniche, come l'elevata durezza e l'inerzia chimica, ma vanta anche utili caratteristiche elettriche. Grazie alla sua struttura cristallina, il carburo di silicio consente l'introduzione di impurità note come drogaggio per creare un maggior numero di portatori di carica liberi, come elettroni e buchi, all'interno del materiale, aumentandone la conduttività.

L'esclusiva struttura atomica del carburo di silicio gli conferisce una conducibilità termica relativamente elevata, grazie all'impacchettamento stretto dei suoi atomi con grandi raggi e alla conseguente conduzione fononica; ciò conferisce al carburo di silicio un vantaggio rispetto ad altre ceramiche strutturali come il nitruro di alluminio e la berillia, che hanno conducibilità termiche inferiori a causa dei loro raggi atomici più ampi.

Il carburo di silicio è presente in natura come minerale cristallino moissanite in piccole quantità; tuttavia, la maggior parte del carburo di silicio utilizzato in commercio è prodotto sinteticamente per l'uso come abrasivo o materiale refrattario avanzato, incendiando una miscela di sabbia silicea e carbonio in un forno a resistenza elettrica in mattoni.

Proprietà meccaniche

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale ceramico estremamente duro, con una durezza su scala Mohs pari a 9. Si presenta tipicamente come cristalli iridescenti di colore da giallo a verde a nero-bluastro che sublimano a 2700 degC prima di decomporsi in acqua o con alcali e ferro a temperature più elevate, vantando un'eccellente resistenza alla corrosione e una forza a temperature fino a 1600 degC; la struttura, la dimensione dei grani, i difetti di impilamento, le impurità o i difetti di impilamento hanno un ruolo secondario sulle proprietà meccaniche.

Prodotta industrialmente attraverso il processo Acheson, che prevede la miscelazione della silice con il carbonio in un forno elettrico ad alte temperature con il metodo Acheson, o presente in natura come la moissanite scoperta per la prima volta nel 1893 nel cratere meteoritico di Canyon Diablo in Arizona. La moissanite è da tempo riconosciuta come un materiale essenziale per le ceramiche funzionali avanzate, gli abrasivi e le materie prime metallurgiche, grazie alla sua eccellente conducibilità termica e alla minima espansione termica, nonché all'eccezionale stabilità chimica; è resistente alla maggior parte degli acidi organici e inorganici e ai sali, ad eccezione dell'acido fluoridrico o dei fluoruri acidi.