Temperatura di fusione del carburo di silicio

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale sintetico estremamente duro che trova molteplici impieghi industriali. Essendo una ceramica non ossidata, il SiC vanta proprietà uniche, tra cui l'elevato punto di fusione, la conduttività termica e la resistenza alla corrosione, tre proprietà essenziali per i processi industriali.

Il SiC nero è utilizzato negli abrasivi e come moissanite, un'attraente gemma sintetica. Il SiC verde, invece, è un materiale di grado più fine utilizzato per varie applicazioni.

1. Temperatura di sublimazione

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale sintetico altamente refrattario, in grado di resistere a temperature estreme e di rimanere forte nonostante sia sottoposto a temperature elevate, il che lo rende adatto ad applicazioni in cui la dissipazione del calore è una priorità assoluta.

Il SiC si trova in natura come il raro minerale gemmato moissanite, ma più comunemente viene prodotto a livello commerciale per essere utilizzato come abrasivo e componente della ceramica. Un metodo consiste nel fondere la sabbia di silice con il carbonio in un forno elettrico utilizzando un elettrodo di grafite di Acheson, producendo SiC verde spesso utilizzato per tagliare, lucidare o levigare le superfici di pietra e vetro.

Il SiC è un materiale estremamente versatile grazie alla sua composizione chimica. Ciò significa che può assumere diverse forme polimorfiche: le due predominanti sono il SiC alfa, con struttura cristallina esagonale a pacchetti ravvicinati simile alla wurtzite, e il SiC beta modificato b, con struttura cristallina cubica a facce centrate simile al diamante o alla zincoblenda. Entrambe le varianti possiedono proprietà uniche che le rendono adatte a diverse applicazioni industriali.

L'a-SiC puro ha una bassa reattività all'ossigeno e un'impermeabilità che lo rendono ideale per l'uso nei reattori nucleari. Inoltre, la sua conducibilità termica è tre volte superiore a quella del silicio, mentre il suo punto di fusione è molto più alto; i materiali ad alta concentrazione con punti di fusione modificati di 2025 gradi Celsius possono contenere boro aggiunto, che abbassa ulteriormente questo valore. Inoltre, i calcoli termodinamici effettuati con la teoria funzionale della densità consentono di stabilire quando avviene la sublimazione o la decomposizione in base alle condizioni di pressione.

2. Conducibilità termica

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale unico con caratteristiche sfumature dal nero-grigio al verde che presenta un'eccezionale densità specifica di 3,21 g/cm3, che lo rende più denso della tipica ceramica ma meno di alcuni metalli. Inoltre, la natura insolubile del SiC ne impedisce la dissoluzione in acqua, alcool o acidi e mostra una grande stabilità e resistenza agli ambienti chimici difficili.

Le caratteristiche fisiche uniche del SiC lo rendono un materiale ideale per numerosi usi industriali, dall'elettronica agli utensili da taglio, dagli abrasivi alle ceramiche. Essendo uno dei materiali più duri conosciuti, il SiC è utilizzato in applicazioni diverse, come la produzione di elettronica e di utensili da taglio.

Resistente all'ossidazione e alla corrosione, che lo rendono adatto ad ambienti industriali difficili dove altri materiali potrebbero deteriorarsi rapidamente o essere danneggiati da agenti chimici aggressivi, questo materiale rimane insolubile in acqua, alcool e acidi e resiste alla maggior parte dei composti organici e inorganici, compresi i sali fusi, gli alluminati, i solfati e altri ossidi refrattari.

La forza del SiC risiede nella sua integrità strutturale come reticolo cristallino atomicamente legato in modo covalente. Questo materiale è caratterizzato da due tetraedri di coordinazione primaria che contengono ciascuno quattro atomi di silicio e quattro atomi di carbonio legati covalentemente con i loro partner opposti; queste forme quadrilateri permettono al SiC di sopportare livelli di tensione significativi senza fratturarsi.

Il SiC è un materiale ideale per l'elettronica a semiconduttori grazie alla sua eccellente conducibilità termica e alla forza di rottura del campo elettrico, che offre elevate tensioni di commutazione con una bassa resistenza all'accensione che consente ai dispositivi di funzionare ad alte frequenze con perdite di potenza ridotte e maggiore efficienza.

Il SiC viene prodotto sinteticamente utilizzando diverse materie prime, la più popolare delle quali è il carburo di silicio-titanio. Una volta sintetizzato, il SiC può essere formato in varie forme, dimensioni e chimiche per usi industriali; Washington Mills offre CARBOREX(r) SiC per queste esigenze in molte dimensioni e chimiche - ideale per applicazioni quali sabbiatura abrasiva, abrasivi rivestiti antiscivolo, refrattari metallurgici, segatura a filo, resistenza all'usura e molte altre.

3. La forza

Le ceramiche in carburo di silicio (SiC) sono tra i materiali ceramici più duri e resistenti all'usura disponibili, vantano un'eccellente stabilità termica e sono chimicamente inerti, il che le rende una scelta eccellente per le applicazioni ad alte prestazioni soggette ad ambienti difficili.

I materiali ceramici durevoli come l'ossido di zirconio offrono un'eccellente resistenza alla corrosione, all'ossidazione e alla fatica, rendendoli adatti per guarnizioni meccaniche, ceramiche strutturali e applicazioni di armatura balistica. L'ossido di zirconio è anche una scelta interessante per i semiconduttori, grazie alla sua capacità di tollerare le alte temperature e i campi elettrici, due caratteristiche che contribuiscono in modo significativo alla sua popolarità come materiale utilizzato nei dispositivi ad alta potenza.

Il carburo di silicio (SiC) è stato utilizzato sin dalla fine del XIX secolo come abrasivo e mola, materiale refrattario per utensili da taglio e per produrre wafer di silicio per la produzione di elettronica. I metodi di produzione variano, ma due scelte popolari includono l'incollaggio per reazione e i metodi di sinterizzazione diretta; i metodi di sinterizzazione diretta tendono a produrre una struttura a grani più fini con proprietà superiori alla temperatura di utilizzo e proprietà meccaniche, a un costo maggiore.

I refrattari prodotti con il gel di silice sono estremamente stabili fino alle alte temperature e presentano uno dei tassi di espansione termica più bassi per qualsiasi materiale refrattario industriale. Sebbene siano insolubili in acqua, i refrattari in gel di silice possono dissolversi se esposti a soluzioni alcaline e sali basici fusi, anche se talvolta è possibile la dissoluzione da parte di alcuni acidi organici. Offrono grandi proprietà di isolamento termico fino a temperature di 8000 gradi centigradi, oltre a essere un efficace isolante termico.

4. Resistenza alla corrosione

Il carburo di silicio è una ceramica industriale di valore inestimabile che è diventata una delle pietre miliari della tecnologia moderna. Utilizzato per qualsiasi cosa, dai freni e frizioni delle auto ai giubbotti antiproiettile, il carburo di silicio si distingue per essere uno dei materiali ceramici più forti, in grado di sopportare ambienti ad alta temperatura e di resistere alla corrosione in situazioni difficili.

Il carburo di silicio è un materiale inorganico composto da atomi di silicio e carbonio legati tra loro da forti legami, che ne determinano la resistenza e le proprietà termiche. Poiché questi legami richiedono grandi quantità di energia per essere spezzati, questo composto duro vanta un punto di fusione estremamente elevato.

La stabilità fisica del carburo di silicio gioca un ruolo fondamentale nella sua resistenza alla corrosione. Può resistere a temperature elevate senza ossidarsi, il che lo rende ideale per le applicazioni che richiedono un funzionamento a lungo termine e senza manutenzione, senza deformarsi o disintegrarsi sotto pressioni fino a 5-8 GPa.

Le caratteristiche di resistenza alla corrosione del carburo di silicio sono il risultato dello strato protettivo di ossido che si forma sulla sua superficie, contribuendo a proteggerlo dall'interazione diretta tra il substrato di carburo di silicio e le specie attaccanti come l'ossigeno o il boro (nel caso del nitruro di silicio). Di conseguenza, questi materiali presentano tassi di corrosione notevolmente bassi in ambienti con aria secca e umida, miscele di vapori gassosi caldi, sali fusi o ambienti complessi come le scorie di carbone.

Anche dopo aver effettuato studi approfonditi su questi materiali, la corrosione in ambienti complessi rimane una sfida immensa. A causa di numerose variabili, tra cui le reazioni concorrenti e i meccanismi di trasporto di massa richiesti, i requisiti di morfologia superficiale/microstrutturale e altri parametri che devono essere presi in considerazione, sono stati fatti notevoli passi avanti nella creazione di modelli per descrivere il comportamento del carburo di silicio e del nitruro di silicio quando esposti ad ambienti complessi.

5. Conducibilità elettrica

Le numerose proprietà del carburo di silicio lo rendono un materiale chiave in molte applicazioni industriali, dalla sua impressionante durezza e resistenza all'usura al suo ruolo di semiconduttore e conduttore elettrico, contribuendo in modo significativo ad aumentare l'efficienza e l'affidabilità. Inoltre, questo materiale vanta caratteristiche meccaniche impressionanti, tra cui il mantenimento della resistenza alle alte temperature, nonché eccezionali proprietà di resistenza chimica.

Il carburo di silicio è emerso come un materiale prezioso, in grado di funzionare in condizioni difficili come la stampa 3D, la balistica e la produzione di prodotti chimici. Rispetto ai metalli, il carburo di silicio offre un buon rapporto qualità-prezzo e resiste a pressioni estremamente elevate senza incrinarsi sotto sforzo. Inoltre, la sua conducibilità termica lo rende perfetto per le applicazioni di gestione termica.

Il SiC viene prodotto con un complesso processo ad alta temperatura. In primo luogo, una miscela di sabbia di silice pura e coke di carbone in polvere viene combinata attorno a un conduttore di carbonio della fornace Acheson, prima che una corrente elettrica attraversi l'elettrodo di carbonio per avviare la reazione chimica tra la sabbia di silice e il coke che forma la ceramica cristallina di carburo di silicio. A seconda del livello di purezza, si può ottenere una ceramica SiC verde o nera.

La forza del carburo di silicio risiede nella sua struttura cristallina tetraedrica di silicio e carbonio tenuti insieme da forti legami covalenti nel suo reticolo cristallino, che dà origine a una forte resistenza interna contro l'ossidazione interna ad alte temperature. La struttura cristallina rimane stabile in diversi ambienti e può essere alfa (a-SiC), con struttura cristallina esagonale Wurtzite, o beta (b-SiC), con struttura cristallina di zinco blenda.

I compositi e le fibre di SiC variano significativamente in termini di conduttività elettrica a seconda del metodo di produzione, della dimensione dei grani, del livello di purezza e della configurazione del legame, per cui è fondamentale che gli utenti verifichino la fonte di qualsiasi dato utilizzato come punto di riferimento.