Prodotti in carburo di silicio

Il carburo di silicio (SiC) è una ceramica eccezionalmente dura e resistente al calore che presenta molte caratteristiche desiderabili, che la rendono adatta ad applicazioni ad alte prestazioni che richiedono materiali robusti con tolleranza al calore. Per questo motivo, il SiC viene spesso preferito alle opzioni ceramiche tradizionali.

American Elements offre SiC in numerosi gradi per uso militare, ACS e reagenti; applicazioni di ricerca farmaceutica di grado alimentare e prodotti abrasivi.

Durezza

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale dalle prestazioni impressionanti con molte proprietà fisico-chimiche eccezionali, tra cui un'elevata durezza e stabilità meccanica a temperature elevate, un'eccezionale conduttività termica con un basso coefficiente di espansione, una forte resistenza alla corrosione e all'ossidazione e la sua composizione di strutture tetraedriche composte da silicio e carbonio tenute insieme da forti legami covalenti nella sua struttura cristallina. Queste impressionanti caratteristiche si fondono nel sorprendente profilo fisico-chimico del SiC.

Nel 1891, l'inventore americano Edward G. Acheson scoprì il carburo di silicio mentre cercava di produrre diamanti artificiali. Per farlo, riscaldò una miscela di argilla e coke in polvere in una ciotola di ferro utilizzando come elettrodi il suo elettrodo e una normale lampada ad arco di carbonio; quando vide dei cristalli verdi brillanti attaccati a un elettrodo capì di aver fatto una scoperta importante e chiamò il suo nuovo composto "carborundum", con una durezza simile al diamante.

L'elevato punto di fusione, l'inerzia chimica e la resistenza agli shock termici del carburo di silicio lo rendono adatto ad ambienti industriali difficili con temperature estreme, come i metalli fusi ad alta temperatura e i forni petrolchimici. Inoltre, la sua forza, durata e resistenza alla corrosione lo rendono utile in applicazioni ingegneristiche come iniettori di sabbiatura, cuscinetti di pompe e utensili da taglio.

Il SiC può essere prodotto sia attraverso la sinterizzazione di silicio puro e polvere di carbonio, sia per legame di reazione; il metodo di formazione influisce notevolmente sulla microstruttura finale. Il SiC legato per reazione si forma infiltrando miscele di SiC con silicio liquido; questi compatti infiltrati reagiscono con il carbonio per legarsi alle particelle originali, creando legami di reazione tra le particelle di SiC. Il SiC sinterizzato viene preparato mescolando polvere di SiC puro con coadiuvanti di sinterizzazione non ossidati, prima di utilizzare processi di formatura ceramica convenzionali per sinterizzare il materiale ad alte temperature.

Utilizzando un sistema di prova di durezza appropriato, la durezza può essere misurata su campioni di tutti i tipi di materiali. Per creare correlazioni tra la durezza e altre proprietà come la resistenza alla trazione, i risultati delle prove di durezza devono prima essere calibrati rispetto a quelli utilizzati per la calibrazione.

A seconda dei diversi tipi di penetratori, dei carichi e dei tempi di permanenza, le prove di durezza dei materiali possono variare notevolmente. Pertanto, le prove di durezza devono essere utilizzate solo come guida approssimativa per la selezione di materiali destinati ad applicazioni critiche.

Resistenza alla corrosione

Il carburo di silicio è una ceramica non ossidata con un'eccellente resistenza alla corrosione in ambienti industriali difficili. La struttura cristallina del materiale impedisce il contatto diretto tra le molecole di ossigeno e il suo strato superficiale, aiutandolo a evitare il decadimento nel tempo. Questa caratteristica rende il carburo di silicio particolarmente prezioso nelle applicazioni ad alta temperatura, dove agenti chimici aggressivi come sali fusi o leghe metalliche potrebbero potenzialmente attaccarlo, rendendo la sua resistenza alle alte temperature un vantaggio chiave dell'uso del carburo di silicio per le industrie dei refrattari, della ceramica e del vetro.

Il carburo di silicio sinterizzato (SSiC) si distingue per la sua resistenza alla corrosione: questo materiale è in grado di resistere a un'impressionante varietà di acidi (acido fosforico, solforico, cloridrico e nitrico) e di basi come ammine, potassa e soda caustica. Inoltre, è caratterizzato da bassi tassi di espansione termica e può persino servire come refrattario ideale in applicazioni ad alta temperatura; è anche comunemente usato come materiale resistente all'usura nelle valvole delle pompe, negli iniettori di sabbiatura e nelle matrici di estrusione.

Il SiC sabbiato è spesso utilizzato nella stampa al carborundum, che utilizza lastre di ceramica con superfici granulari che intrappolano l'inchiostro dai rulli per produrre segni stampati su carta. Inoltre, il carburo di silicio è stato a lungo utilizzato come componente assorbente nei giubbotti antiproiettile, grazie alla sua capacità di attenuare gli impatti ad alta velocità.

La moderna produzione di abrasivi, refrattari e ceramiche a base di carburo di silicio utilizza una miscela di sabbia di silice pura mescolata con coke di carbonio che viene posta attorno a un conduttore di carbonio all'interno di un forno a resistenza elettrica, dove la corrente elettrica provoca reazioni chimiche tra il carbonio del coke e il silicio della sabbia che portano alla sinterizzazione del prodotto a temperature elevate.

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Proprietà elettriche

Il carburo di silicio possiede la proprietà unica di agire sia come un metallo che come un isolante a basse temperature, ma anche come un semiconduttore a temperature più elevate, consentendo il libero passaggio della corrente.

Il SiC è un materiale ideale per le applicazioni elettriche a tensioni elevate, soprattutto grazie alla sua maggiore conduttività. La riduzione delle perdite di sistema e del consumo energetico del SiC rende i dispositivi elettronici di potenza più piccoli e più efficienti dal punto di vista energetico, favorendo anche i sistemi di ricarica rapida per i veicoli elettrici, accelerando i tempi di ricarica e riducendo al contempo le dimensioni e il peso complessivo del sistema.

La produzione di carburo di silicio sinterizzato inizia con una miscela di materiale carbonioso e materie prime come il coke di petrolio o la sabbia di quarzo che viene fatta reagire chimicamente a temperature estremamente elevate in un forno a resistività elettrica per formare il SiC. Una volta formato, questo materiale grezzo deve essere lavorato attraverso la frantumazione e la macinazione per ottenere la dimensione e la forma dei grani desiderati, prima di un'ulteriore selezione e trattamento chimico per ottenere livelli di purezza adatti a particolari applicazioni.

La temperatura e il contenuto di impurità determinano le forme di SiC prodotte; ad esempio, il carburo di silicio alfa (a-SiC), caratterizzato da una struttura cristallina esagonale e dalla formazione di wurtzite (ZnCr2O4), si verifica a temperature più elevate, mentre il SiC beta (ZnSiC) si forma a temperature più basse.

Il carburo di silicio si distingue non solo per le sue proprietà elettriche, ma anche per la sua inerzia chimica alle alte temperature, il che lo rende un candidato interessante per applicazioni ceramiche come freni e frizioni per autoveicoli, giubbotti antiproiettile e giubbotti antiproiettile. Il SiC di alta qualità è in grado di resistere alle elevate sollecitazioni e temperature che si verificano in queste applicazioni, garantendo una maggiore durata e prestazioni più elevate. I transistor in carburo di silicio possiedono anche una tensione di breakdown molto più elevata rispetto alle loro controparti in silicio, riducendo le perdite di potenza e aumentando l'efficienza. Le proprietà di isolamento elettrico del carburo di silicio lo rendono particolarmente vantaggioso per i caricabatterie dei veicoli elettrici, che devono sopportare grandi tensioni senza subire comportamenti di conduzione imprevedibili o guasti catastrofici. Per questo motivo, molti produttori di veicoli elettrici si stanno affidando al carburo di silicio per i loro prodotti.

Inerzia chimica

Il carburo di silicio (SiC) è un composto chimico estremamente duro di silicio e carbonio che si trova in natura sotto forma di moissanite, un minerale raro; tuttavia, dal 1893 la produzione di massa ha reso questo materiale chimico disponibile in polvere o cristallo per l'uso come abrasivo. I grani di carburo di silicio possono anche essere uniti in materiali ceramici utilizzati nei freni delle auto, nelle frizioni, nelle piastre dei giubbotti antiproiettile e nelle fodere dei giubbotti antiproiettile. Infine, grandi cristalli singoli di SiC possono essere creati attraverso la sinterizzazione per produrre gemme di moissanite sintetica, note come moissanite sintetica.

La combinazione di resistenza alle alte temperature, bassa espansione termica e resistenza alla corrosione rende il carburo di silicio adatto a diversi settori industriali. Con un grado di durezza Mohs pari a nove - secondo solo a quello del diamante e del carburo di boro - il carburo di silicio è un materiale molto ricercato per la produzione di abrasivi come le mole o i prodotti in carta e tessuto, nonché per la produzione di refrattari resistenti alle sostanze chimiche.

Il materiale ceramico offre un'eccellente resistenza agli acidi e agli alcali, ai metalli fusi e agli attacchi del vetro, nonché agli shock termici. Inoltre, l'assenza di porosità e la bassa densità dei pori lo rendono adatto alle tenute meccaniche e ai cuscinetti che devono operare in ambienti aggressivi con scarsa lubrificazione.

La resistenza, la rigidità e la rigidità alle alte temperature del carburo di silicio lo rendono un materiale ideale per la costruzione di specchi per telescopi astronomici. Sebbene questa applicazione di questo versatile materiale sia ancora relativamente nuova, diversi osservatori, come il telescopio spaziale Herschel, utilizzano già specchi in carburo di silicio in questa funzione. Inoltre, la bassa espansione termica del carburo di silicio offre vantaggi nella costruzione di rivestimenti per forni e pareti di forni, nonché per prodotti ceramici come i sanitari.

I materiali elettrolitici SiC a base di zirconia sono attualmente oggetto di ricerca come potenziali modi per migliorare la tecnologia delle batterie. Sebbene offrano una buona conducibilità ionica e integrità strutturale, il processo di preparazione richiede temperature operative elevate per ottenere risultati ottimali. Sebbene il costo ne impedisca l'adozione su larga scala, gli IGBT a base di zirconio offrono vantaggi rispetto a quelli al silicio per applicazioni di conversione di potenza superiori a 600V.