Usi del carburo di silicio

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale estremamente duro che trova numerosi impieghi. Il SiC si può trovare nei dischi freno "ceramici" ad alte prestazioni per le automobili o anche nelle piastre ceramiche per i giubbotti antiproiettile.

La moissanite è un minerale raro che si trova in natura, ma che dal 1893 viene prodotto in polvere per essere utilizzato come abrasivo. Inoltre, viene utilizzata come componente essenziale nell'elettronica dei semiconduttori che operano in condizioni di temperatura e tensione estreme.

Refrattari per alte temperature

I refrattari in carburo di silicio sono materiali ad alte prestazioni con un'eccezionale forza, resistenza alla corrosione e stabilità agli shock termici. Disponibili in forma di mattoni o di rivestimenti, i refrattari in carburo di silicio sono utilizzati in applicazioni ad alta temperatura come la produzione di sali fusi e scorie acide; la loro caratteristica peculiare è la resistenza al rammollimento fino a 15000 C a temperature pari al punto di fusione di quest'ultimo (il carburo di silicio nero [SiC] è la materia prima utilizzata per questi refrattari).

Il carburo di silicio, comunemente indicato con la formula chimica SiC, è un composto cristallino estremamente duro prodotto sinteticamente e composto da silicio e carbonio che si trova in natura come il raro minerale moissanite; tuttavia, la produzione di massa è iniziata nel 1893 per l'uso come abrasivi e parti resistenti all'usura nell'industria e nei motori a razzo; inoltre serve come substrato semiconduttore nei diodi a emissione luminosa (LED).

I refrattari in carburo di silicio legati all'argilla sono la scelta ideale per l'impiego in applicazioni ad alta temperatura, in quanto il processo di legame garantisce l'integrità strutturale alle alte temperature e resiste agli acidi e ad altri materiali corrosivi. Inoltre, questi refrattari relativamente economici si sono dimostrati estremamente durevoli nel tempo; spesso vengono testati con prove di corrosione a vapore (fotografando, pesando e misurando i campioni di prova prima di esporli al vapore per 500 ore, per verificarne le prestazioni a pressioni e temperature così estreme).

Parti resistenti all'usura

Il carburo di silicio può essere utilizzato per una serie di applicazioni antiusura. Grazie alla sua superiore forza, durezza, durata, resistenza all'attacco chimico e alla temperatura, il carburo di silicio è un materiale eccellente per combattere l'usura dell'acciaio e delle leghe metallurgiche, rendendolo adatto a sostituire i rulli o le parti metalliche nei laminatoi in acciaio, nelle pompe per la sabbia, negli idrocicloni, nei frantoi o nelle canne dei cilindri.

La placcatura elettrolitica offre un altro vantaggio: permette di essere applicata in modo più uniforme senza creare le incongruenze tipiche dei processi di nichelatura tradizionali, garantendo che gli angoli e le rientranze rimangano affilati senza accumuli di bordi, mentre i fori passanti rimangono indisturbati e inalterati in quasi tutte le configurazioni geometriche.

Il carburo di silicio si distingue tra i materiali per dispositivi elettronici per la sua superiore resistenza alla temperatura e per la sua struttura atomica unica, offrendo eccezionali proprietà semiconduttrici che lo rendono adatto alla produzione di dispositivi elettronici. La sua resistenza alle variazioni di temperatura è fino a 10 volte superiore a quella del silicio, il materiale di riferimento nella produzione di semiconduttori, così come la resistenza agli shock termici e la capacità di sopportare pressioni molto elevate. Il carburo di silicio è ampiamente utilizzato come componente importante nei semiconduttori di potenza per i generatori ad alta tensione e i caricabatterie di bordo per i sistemi di ricarica dei veicoli ibridi ed elettrici, oltre a essere utilizzato come sostituto delle costose ma pericolose batterie al litio.

Dispositivi a semiconduttore

Il carburo di silicio nella sua forma pura agisce come un isolante elettrico; ma quando viene modificato con impurità o agenti droganti, la sua conducibilità elettrica cambia e mostra proprietà di semiconduzione, non permettendo il passaggio di corrente libera ma nemmeno respingendola. Queste caratteristiche di semiconduttività rendono il carburo di silicio adatto alla creazione di dispositivi elettronici che amplificano, commutano o convertono i segnali nei circuiti elettrici.

I dispositivi in carburo di silicio beneficiano di un ampio band-gap che consente loro di operare a temperature e frequenze più elevate rispetto ai semiconduttori tradizionali, rendendoli adatti a contesti industriali e fornendo significativi guadagni di efficienza energetica rispetto alle loro controparti in silicio.

I dispositivi di potenza al carburo di silicio sono ampiamente utilizzati nei sistemi di transito ferroviario per ridurre le perdite di energia e migliorare l'efficienza del carico, mentre sono impiegati anche negli inverter solari e nei dispositivi di accumulo dell'energia per migliorare l'efficienza e l'affidabilità.

Le dinamiche del mercato del carburo di silicio sono in continua evoluzione, in quanto nuove applicazioni ne determinano l'espansione e la domanda. Le applicazioni includono l'industria dell'elettronica di potenza, il settore automobilistico e quello aerospaziale. La crescita del mercato del carburo di silicio per l'elettronica di potenza è prevista a oltre 27% entro il 2021, a causa dell'aumento della domanda di veicoli elettrici e di infrastrutture 5G, oltre che di stazioni di ricarica rapida; di conseguenza, l'espansione della capacità produttiva e gli investimenti in nuove tecnologie devono essere effettuati per fornire dispositivi di alimentazione efficienti a supporto.

Trattamento chimico

Il carburo di silicio (SiC) è un composto di silicio e carbonio estremamente duro, prodotto sinteticamente, con una durezza di Mohs pari a 9 e quasi uguale a quella del diamante. Il SiC può essere utilizzato in applicazioni che vanno dai processi di lavorazione abrasivi, come la sabbiatura e la rettifica, alle parti resistenti all'usura per i forni industriali, alle parti resistenti all'usura per i substrati di produzione dei diodi a emissione luminosa e dei diodi a emissione luminosa (LED).

I refrattari possono essere utilizzati anche in materiali compositi, come quelli presenti nei giubbotti antiproiettile. La loro resistenza e durevolezza consente loro di resistere agli impatti dei proiettili ad alta velocità, mentre il loro basso tasso di sezione trasversale neutronica li protegge dai danni delle radiazioni.

Per la creazione di SiC si possono utilizzare sia l'incollaggio per reazione sia la sinterizzazione, che producono microstrutture diverse nel materiale finale. Il SiC legato per reazione viene prodotto infiltrando compatti di miscele di SiC e carbonio con silicio liquido, che reagisce con il carbonio per formare altre particelle di SiC che poi si legano a quelle iniziali. Il SiC sinterizzato può anche essere prodotto utilizzando polvere di SiC pura mescolata con coadiuvanti di sinterizzazione non ossidati e riscaldata a temperature elevate fino alla solidificazione.

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