Come si produce il carburo di silicio?

Il carburo di silicio (SiC) è un composto chimico duro formato da silicio e carbonio, presente in natura come gemma moissanite e prodotto in larga scala per l'uso in abrasivi, applicazioni metallurgiche e refrattari.

Il SiC è ideale per i mattoni refrattari e altri prodotti refrattari grazie alla sua resistenza alle alte temperature e agli shock termici, alla sua natura semiconduttiva e alla struttura atomica che lo rende resistente al calore.

Reazioni chimiche

Il carburo di silicio, più comunemente chiamato carborundum o SiC, è un materiale ceramico con proprietà sia strutturali che di semiconduttore. Grazie alla sua forza, alla resistenza alle alte temperature e all'inerzia chimica anche a temperature elevate, il SiC è un materiale eccellente per le applicazioni di abrasivi, metallurgia e refrattari; inoltre, le sue caratteristiche simili a quelle dei semiconduttori lo rendono adatto ai dispositivi ad alta potenza che operano a temperature che i semiconduttori convenzionali non possono sostenere.

Il SiC può essere prodotto con diverse tecniche di produzione, ognuna delle quali offre vantaggi distinti per applicazioni specifiche. Ad esempio, il processo di Acheson offre forme complesse ad alta resistenza; il processo di carburo di silicio legato per reazione (RBSC) garantisce un'elevata purezza, mentre la deposizione da vapore chimico offre la possibilità di creare rivestimenti ultrapuri.

La produzione commerciale di carburo di silicio utilizza tipicamente un processo di fornace elettrica con coke di petrolio a basso contenuto di ceneri come fonte di carbonio, prima di essere frantumato e macinato prima di essere selezionato e trattato chimicamente per soddisfare specifiche caratteristiche di prestazione.

Il silicio e il carbonio reagiscono chimicamente nelle materie prime per formare politipi o disposizioni di impilamento di elementi, con il carburo di silicio cubico (a-SiC) che è uno dei politipi più popolari con la sua durezza Mohs di 9. Mentre i minerali grezzi di questa natura possono essere estratti come fonti minerali grezze, il più delle volte sono prodotti attraverso processi combinati: legame di reazione e sinterizzazione.

Il Reaction-bonded è un processo in cui una miscela di sabbia silicea macinata e carbonio sotto forma di coke di petrolio a basso contenuto di ceneri viene combinata e accumulata attorno a un forno elettrico resistivo tramite il reaction bonding. Una corrente elettrica viene quindi fatta passare attraverso un conduttore, innescando una reazione chimica e producendo un lingotto cilindrico di a-SiC e b-SiC; l'a-SiC non reagito rimane sulla superficie del lingotto. Viene quindi aggiunto silicio liquido, che lega i cristalli inizialmente separati in un'unica struttura continua di cristalli cubici di SiC, adatta alla maggior parte degli usi industriali; a volte possono verificarsi ulteriori lavorazioni per produrre materiale di grado metallurgico.

Riscaldamento

Il carburo di silicio (SiC) è un composto chimico inorganico composto da carbonio e silicio che si trova in natura sotto forma di moissanite, un minerale raro; tuttavia, dal 1893 viene anche prodotto sinteticamente in polvere per essere utilizzato come abrasivo. Il carburo di silicio è il materiale sintetico più duro tra l'allumina (ossido di alluminio) e il diamante nella scala di durezza di Mohs; inoltre, la sua conducibilità termica, i bassi tassi di espansione termica e l'inerzia chimica lo rendono molto adatto per applicazioni industriali refrattarie come i mattoni per forni.

La produzione di SiC di grado metallurgico avviene solitamente attraverso il processo Acheson, che prevede la miscelazione di materie prime come la sabbia di quarzo (sabbia di silice) con coke di petrolio o carbone di antracite in un forno elettrico ad arco riscaldato a circa 2600degC. Durante questo processo di riscaldamento, il biossido di silicio (SiO2) viene ridotto e trasformato in SiC e in altri composti chiamati silicati metallurgici che vengono successivamente macinati in carburo di silicio nero o verde, a seconda della loro qualità.

La produzione di carburo di silicio con questa tecnica ha un rendimento elevato, con una produzione di 11,3 tonnellate per carica di forno di carburo di silicio nero. Tuttavia, è possibile ottenere un SiC di maggiore purezza utilizzando metodi più costosi, come il processo di Lely.

Il carburo di silicone si presenta in diverse forme o polimorfi, ognuno dei quali possiede caratteristiche e proprietà distintive. Ad esempio, il carburo di silicio alfa (a-SiC) ha una struttura cristallina esagonale simile alla wurtzite, mentre il b-SiC modificato in beta contiene strutture cristalline di zinco blenda simili al diamante.

Indipendentemente dal polimorfo, tutte le forme di carburo di silicio condividono una struttura stratificata simile, contenente atomi di silicio e carbonio legati insieme in una configurazione tetraedrica. Il SiC si distingue dal carburo di boro per la presenza di tre atomi di carbonio per ogni atomo di silicio nella sua struttura - a differenza della struttura a diamante che conferisce al carburo di boro proprietà meccaniche superiori e una maggiore redditività commerciale; di conseguenza, l'a-SiC vantava proprietà meccaniche superiori, diventando dominante fino all'arrivo del b-SiC, più solubile.

Asciugatura

Il carburo di silicio è un materiale cristallino estremamente duro con molteplici applicazioni industriali. In particolare, viene comunemente impiegato come abrasivo nelle mole, negli utensili da taglio e nella carta vetrata, grazie alla sua elevatissima resistenza e durezza; tuttavia, altri impieghi includono gli isolanti elettrici, i refrattari e le ceramiche - le sue proprietà di bassa espansione termica lo rendono il materiale perfetto per essere utilizzato in ambienti ad alta temperatura - anche se spesso viene rivestito con ossido di alluminio per estendere ulteriormente la sua longevità.

La produzione di carburo di silicio inizia riscaldando la silice grezza e il carbonio in un forno elettrico fino a quando i loro composti si combinano per produrre biossido di silicio e monossido di carbonio, seguito da un'essiccazione in atmosfera inerte per diversi giorni a temperature comprese tra i 1.400 e i 2.700 gradi Celsius - questo permette di rimuovere efficacemente le impurità, lasciando un lingotto di carburo di silicio quasi puro.

Gli operai specializzati selezionano e classificano i lingotti in varie dimensioni, forme e composizioni chimiche per soddisfare le diverse applicazioni. Una volta selezionati e classificati dagli operai specializzati, i lingotti possono essere ulteriormente lavorati per essere utilizzati in industrie come quella degli abrasivi, della metallurgia e dei refrattari, oltre a diventare droganti per la produzione di semiconduttori quando vengono aggiunti droganti.

I dopanti aggiunti a un lingotto possono produrre più politipi con proprietà fisiche ed elettriche distinte. Il boro e l'alluminio trasformano il silicio in un semiconduttore di tipo p, mentre l'azoto e il fosforo creano un semiconduttore di tipo n.

La produzione di carburo di silicio puro richiede un processo intricato e meticoloso che richiede un'attenzione precisa a ogni fase. I refrattari prodotti con carburo di silicio per l'uso nell'industria abrasiva, metallurgica e dei refrattari hanno spesso specifiche uniche, come le dimensioni dei grani, i tipi di legante, il livello di purezza, il livello di densità e i requisiti di porosità. Il nostro team di Washington Mills sarà lieto di collaborare con i clienti per comprendere le loro esigenze individuali, esplorando tutte le possibilità offerte dai prodotti CARBOREX.

Sinterizzazione

Il carburo di silicio può essere difficile da lavorare e da smerigliare, richiedendo strumenti diamantati o ad ultrasuoni per le operazioni di taglio o di rettifica. Inoltre, la sua superficie delicata richiede un'attenta manipolazione per evitare sfaldamenti o scheggiature; la sua durabilità gli consente di resistere bene a temperature molto elevate in forni o fornaci.

Processo Acheson. Il carburo di silicio può essere creato con questo processo mescolando sabbia di silice con coke di carbone in polvere per formare un solido verde o nero che può essere macinato per formare una polvere fine e mescolato con altri ingredienti per formare un plastificante, consentendo al biossido di silicio e agli atomi di carbonio di legarsi insieme e quindi di formare degli stampi prima di infiltrarsi con silicio liquido per produrre un materiale legato per reazione, o materiale sinterizzato.

Il carburo di silicio sinterizzato vanta una purezza superiore rispetto a quello legato per reazione, è più facile da lavorare e da modellare e presenta un'eccellente resistenza alla corrosione, all'usura e agli shock termici, essendo in grado di sopportare temperature di 1600degC senza subire ossidazioni o attacchi chimici. Grazie a queste caratteristiche, viene utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni industriali.

La tecnologia di sinterizzazione è ampiamente utilizzata nelle applicazioni elettroniche avanzate. A tale scopo, attraverso il processo di sinterizzazione si producono grandi boules di cristallo singolo, che vengono poi tagliati in wafer da utilizzare nei dispositivi semiconduttori. A volte i materiali puri possono essere mescolati con boro o alluminio per aumentare la durezza e la temprabilità.

La sinterizzazione permette di creare ceramiche ad alta resistenza e resistenti alla fessurazione. Questo tipo di ceramica non solo è resistente alle alte temperature, ma è anche altamente refrattaria agli agenti chimici come gli acidi solforico e fluoridrico; da qui il nome di a-SiC sinterizzato. La durezza, la rigidità, la conducibilità termica e la durezza del carburo di silicio lo rendono inoltre desiderabile come materiale per gli specchi dei telescopi astronomici; a differenza di molti altri materiali per specchi, rimane stabile durante gli sbalzi di temperatura senza deformarsi sotto il proprio peso, consentendo di sostituire il vetro in vari modelli di telescopi, dai piccoli modelli portatili agli enormi osservatori spaziali.