Proprietà e applicazioni del carburo di silicio

Il carburo di silicio è uno dei materiali più duri e resistenti del pianeta, noto per la sua forza, la conduttività termica e la resistenza agli acidi, qualità che lo rendono adatto ad applicazioni in tutti i settori industriali.

Il SiC è un minerale presente in natura, noto come moissanite; tuttavia, dal 1893 viene prodotto in massa sotto forma di polvere e cristallo per essere utilizzato come abrasivo e per altre applicazioni industriali e come substrato per semiconduttori.

Caratteristiche

Il carburo di silicio vanta qualità uniche che lo rendono uno dei materiali industriali più vantaggiosi. In particolare, tra i materiali ceramici avanzati, è duro e leggero; inoltre, vanta un'eccellente conduttività termica con bassi tassi di espansione termica; inoltre, gestisce facilmente l'erosione e l'abrasione - qualità che lo rendono adatto all'uso nei sistemi di rivestimento dei mulini, nei componenti dei cicloni, negli ugelli di spruzzatura e negli estrusori.

Il carburo di silicio allo stato puro è un isolante elettrico. Aggiungendo impurità controllate, tuttavia, il carburo di silicio può essere fatto comportare come un dispositivo semiconduttore: alluminio, boro e gallio possono creare dispositivi di tipo P, mentre azoto e fosforo danno luogo a dispositivi di tipo N.

I transistor SiC vantano una tensione di breakdown più elevata e una resistenza di accensione inferiore rispetto alle loro controparti in silicio, il che consente di ottenere frequenze di commutazione più elevate e sistemi elettronici di potenza più piccoli. Gli inverter di ricarica dei veicoli elettrici possono utilizzare il SiC per ridurre le dimensioni e il peso dei sistemi di gestione dell'alimentazione e aumentare l'autonomia di guida.

Proprietà

Il carburo di silicio, più comunemente chiamato SiC, è un composto cristallino eccezionalmente duro, prodotto sinteticamente, composto da silicio e carbonio, chimicamente inerte e resistente alla corrosione (anche se suscettibile di attacco da parte di acido cloridrico, solforico o altri acidi).

Il carburo di silicio vanta numerose proprietà vantaggiose che lo rendono un materiale prezioso, tra cui l'elevata resistenza e rigidità, i bassi tassi di espansione termica, la resistenza all'ossidazione e all'abrasione e il mantenimento della resistenza elastica anche a temperature elevate. Grazie a questa combinazione di proprietà ceramiche e semiconduttrici, il carburo di silicio è un materiale eccellente per le ceramiche strutturali e per gli abrasivi.

Il SiC puro è un cristallo incolore. Aggiungendo diverse quantità di impurità, tuttavia, le sue proprietà elettriche possono essere modificate in quelle di un semiconduttore. Le strutture a strati all'interno dei cristalli producono diversi politipi di carburo di silicio con strutture cristalline uniche; la più frequente è la struttura cristallina esagonale 6H-SiC, adatta all'elettronica di potenza grazie al suo ampio valore di bandgap di 1,12eV, secondo Wolfspeed.

Applicazioni

Le proprietà fisiche ed elettroniche uniche del carburo di silicio stanno rivoluzionando l'elettronica di potenza. I nuovi dispositivi realizzati con il SiC vantano una maggiore affidabilità, minori perdite di potenza, tempi di commutazione più rapidi e una maggiore efficienza energetica rispetto ai loro predecessori.

Il carburo di silicio puro si comporta come un isolante elettrico; tuttavia, il drogaggio con impurità controllate (chiamate droganti) gli consente di condurre elettricità in determinate circostanze. Il drogaggio con alluminio, boro e gallio produce semiconduttori di tipo P; il drogaggio con fosforo e azoto crea invece semiconduttori di tipo N.

La struttura atomica del carburo di silicio assomiglia a quella di atomi di carbonio e di silicio legati covalentemente tra loro in due tetraedri di coordinazione primaria, con quattro atomi di carbonio e quattro atomi di silicio che si legano covalentemente tra loro per formare due tetraedri di coordinazione primaria - ciascuno costituito da quattro atomi di carbonio e quattro atomi di silicio legati covalentemente tra loro - legati da legami covalenti. Può essere coltivato in varie forme; in genere viene macinato in polvere fine e poi mescolato con coadiuvanti di sinterizzazione non ossidici, come i leganti organosiliconici, per formare una miscela pastosa che può poi essere formata con processi di pressatura isostatica a freddo o di estrusione - è molto usato negli utensili da taglio, nei materiali strutturali (giubbotti antiproiettile/armature composite), nella produzione di parti di automobili, nella produzione di materiali per specchi e di specchi per telescopi astronomici.

Produzione

Il carburo di silicio è uno dei materiali ceramici avanzati più duri e resistenti e offre bassi tassi di espansione termica, resistenza agli acidi, resistenza all'erosione ed eccellente resistenza all'usura.

La produzione di carburo di silicio prevede diverse reazioni chimiche, ma la più comune è il processo Acheson. Questo processo prevede il riscaldamento di una miscela di silice e coke ad alte temperature fino a quando le sostanze chimiche reagiscono chimicamente e formano cristalli.

Questi cristalli vengono poi macinati in una polvere fine e combinati con coadiuvanti di sinterizzazione non ossidici, come i leganti organosiliconici, per creare una pasta che viene compattata e modellata tramite estrusione o pressatura isostatica a freddo.

Il carburo di silicio è un materiale indispensabile nella lapidaria moderna, grazie alla sua durezza e durata. Grazie alla sua versatilità, viene utilizzato per rivestimenti di forni, utensili da taglio e mole, parti resistenti all'usura di pompe e motori a razzo, componenti elettronici di potenza a bassa resistenza e wafer più sottili grazie alla minore tensione di rottura.