Esplorazione della durata del carburo di silicio in ambienti difficili

Il carburo di silicio è un composto resistente formato dalla reazione chimica ad alta temperatura tra silicio e carbonio, con una struttura cristallina estremamente resistente che lo rende adatto all'uso in ambienti difficili.

Il carburo di silicio richiede rigorosi controlli di qualità durante il processo di produzione per garantirne la longevità in ambienti di lavoro difficili. Analizzeremo quali fattori influiscono sulla sua longevità.

Resistenza alla corrosione

Il SiC è un materiale estremamente duro e denso composto da diverse forme o politipi di struttura cristallina di carburo di silicio con atomi di carbonio disposti tetraedricamente per costituire i suoi strati o politipi, producendo strutture con legami tetraedrici tra atomi di carbonio disposti come strati o politipi che creano le sue qualità uniche di resistenza alla corrosione. Il carburo di silicio sinterizzato senza pressione (C/C-SiC) resiste a tutti gli acidi (cloridrico e solforico), ai solventi basici e agli ambienti ossidanti come l'acido nitrico, rimanendo così resistente alla corrosione che i crogioli solidi in C/C-SiC sono spesso utilizzati come rivestimento dei forni.

La corrosione dei materiali SiC può essere estremamente complessa e dipende da molteplici fattori. La resistenza alla corrosione dei materiali dipende dal loro spessore e dalla profondità dello strato di ossido che si sviluppa durante i processi di ossidazione; inoltre, i meccanismi chimici e fisici responsabili della produzione del famoso tasso di ossidazione parabolico rimangono ancora incompleti.

I test di corrosione a lungo termine sono necessari per valutare l'effetto degli ambienti corrosivi sulla resistenza dei materiali. La corrosione a lungo termine può aumentare i difetti superficiali che riducono la resistenza e la durata dei materiali nel tempo.

Elkem ha condotto analisi approfondite sulla sensibilità alla corrosione di quattro tipi di giunti a piastra SiC to SiC uniti mediante incollaggio per diffusione metallica con interstrato di molibdeno o titanio, sinterizzazione per reazione e sinterizzazione di nanopolveri di SiC. Tutti i campioni hanno sopportato test idrotermici di cinque settimane a temperatura elevata senza contaminazione da radiazioni durante i test idrotermici di cinque settimane a temperatura elevata.

Resistenza all'espansione termica

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale sintetico estremamente duro, che si colloca a metà della scala Mohs tra l'allumina (9), con una media di 9, e il diamante (10). Il SiC trova impiego come abrasivo e parti resistenti all'usura in applicazioni meccaniche; per rivestimenti refrattari di forni industriali e ceramiche; come rivestimento refrattario di serbatoi di carburante per aerei; come rivestimento refrattario di forni utilizzati dall'industria; e dispositivi elettronici a semiconduttore operanti ad alte temperature.

Il carburo di silicio è un notevole materiale ceramico termomeccanico con un basso coefficiente di espansione termica, che gli consente di mantenere forma e dimensioni durante le rapide fluttuazioni di temperatura e di rendere più affidabili i prodotti che operano in ambienti estremi.

Il carburo di silicio possiede eccezionali proprietà meccaniche e vanta un'ottima conducibilità termica con un'ampia gamma di temperature di esercizio, oltre ad essere altamente resistente alla corrosione e agli attacchi chimici, il che lo rende adatto ad applicazioni in ambienti difficili in settori come quello automobilistico, aerospaziale ed elettronico.

Questo libro presenta la tecnologia dei microsistemi basati sul carburo di silicio (SiC), sia in massa che a film sottile, e ne illustra l'ascesa alla ribalta come piattaforma essenziale per i microsistemi in ambienti difficili, combinando la fabbricazione di dispositivi elettronici con dispositivi MEMS meccanici. Il libro analizza anche le difficoltà insite nella combinazione di vari processi e materiali in moduli di sensori utilizzabili; in particolare, vengono analizzati i disallineamenti di temperatura tra i componenti e la sensibilità ambientale del SiC, mentre viene discusso lo stato dell'arte della tecnologia del SiC sia in materiali sfusi che in film sottili.

Resistenza all'usura

Il carburo di tungsteno (WC) è una lega importante e versatile utilizzata in molteplici applicazioni, caratterizzata da estrema durezza, elevata conduttività, bassa espansione termica e resistenza alla corrosione. Il carburo di tungsteno viene creato quando la polvere di tungsteno puro viene mescolata con altri metalli come il carbonio, il nichel o il cobalto mediante un processo chiamato sinterizzazione; una volta formato in forme per usi specifici mediante pressatura e forgiatura, più comunemente utensili da taglio. L'estrema durata del tungsteno si estende molto di più rispetto agli altri metalli utilizzati per gli utensili da taglio; inoltre è spesso utilizzato dalle unità militari che utilizzano una tattica di attacco chiamata bombardamento cinetico, in cui i proiettili sparati direttamente contro i nemici penetrano la protezione della corazza e le difese nemiche.

Il carburo di tungsteno (WC) è ampiamente utilizzato per la meccanica di precisione grazie alla sua capacità di sopportare velocità e pressioni molto elevate, vantando il più alto modulo di Young, la superficie più dura, il più basso tasso di espansione termica e la migliore resistenza all'usura di tutti i metalli. Inoltre, l'estrema duttilità del WC ne consente la formazione in barre o l'estrusione come filo, come nel caso delle lampadine a incandescenza.

Il carburo di tungsteno è notoriamente fragile e suscettibile di incrinarsi o rompersi in caso di forti impatti, il che lo rende più soggetto agli urti rispetto ai metalli preziosi come l'oro e il platino. Tuttavia, è ancora molto utilizzato nelle applicazioni militari in cui la resistenza agli urti è fondamentale, come nel caso dell'impianto di prova dei crateri dell'NCSU, che utilizza dischi tampone in carburo di tungsteno per assorbire gli impatti dei proiettili.

Conducibilità elettrica

La combinazione unica di proprietà ceramiche e semiconduttrici del carburo di silicio lo rende un materiale altamente adattabile, adatto per usi industriali ed elettronici. Grazie a queste proprietà, i componenti elettronici in carburo di silicio possono funzionare anche in ambienti difficili, con temperature e livelli di tensione elevati che di solito impediscono ad altri componenti elettronici di funzionare correttamente.

Dal punto di vista chimico, il carburo di silicio è un materiale incredibilmente stabile. Resiste alla maggior parte degli acidi (cloridrico, solforico e fluoridrico), dei sali e degli alcali, ad eccezione dell'acido solforico concentrato; inoltre non reagisce con l'acqua, il che lo rende un materiale ideale per i componenti che richiedono un'esposizione prolungata ai liquidi.

Il carburo di silicio offre eccellenti proprietà elettriche grazie alla sua struttura atomica. Si cristallizza in strutture a impacchettamento stretto contenenti strati di carbonio e silicio legati covalentemente. Questi strati possono essere disposti in diverse configurazioni chiamate politipi; ogni politipo si distingue per la propria sequenza di impilamento, dando origine a diverse strutture cristalline, ciascuna con proprietà uniche.

Le molteplici proprietà del carburo di silicio lo pongono all'avanguardia dell'innovazione tecnologica. L'utilizzo in applicazioni ingegneristiche estreme e ad alte prestazioni, come i cuscinetti delle pompe, le valvole, gli iniettori per la sabbiatura e le matrici per l'estrusione, nonché la fabbricazione di dispositivi a semiconduttore che operano in ambienti estremi, può portare a miglioramenti significativi in tutti i settori.