Formula del carburo di silicio

Il carburo di silicio (SiC) è un composto sintetico estremamente duro di silicio e carbonio che si trova in natura sotto forma di gemma, la moissanite, e, in misura minore, nelle condriti carbonacee.

Prodotto dalla fusione di sabbia silicea e coke ad alte temperature in un forno elettrico, il quarzo esiste in almeno 70 forme cristalline diverse; la forma alfa con struttura cristallina esagonale simile alla wurtzite è la più diffusa.

Proprietà fisiche

Il carburo di silicio, più comunemente chiamato Carborundum, è un composto ceramico non ossidato con eccezionali proprietà di durezza e resistenza chimica, secondo solo al diamante. Inoltre, il carburo di silicio in forma pura resiste all'ossidazione a temperature più elevate per una conduzione elettrica e una conduttività più affidabili.

Riscaldare la sabbia di silice con il carbonio in un forno elettrico per produrre SiC. Il materiale cristallino prodotto, di colore verde o nero-bluastro, può essere separato in gradi con proprietà fisiche diverse: ad esempio, il grado metallurgico A presenta strati grossolani, mentre i cristalli di grado b formano strutture più lisce.

Questi politipi di strutture stratificate presentano proprietà elettriche, ottiche e termiche distintive. I loro legami atomici sono costituiti da quattro atomi di silicio legati a quattro atomi di carbonio in uno schema quadrato irregolare che forma quattro cristalli esagonali; ciò fornisce proprietà semiconduttrici ad ampio band-gap. L'estrusione o la pressatura isostatica a freddo possono modellare questi materiali in barre o tubi da utilizzare come barre e tubi.

Proprietà chimiche

Il carburo di silicio (SiC), più comunemente chiamato carborundum, è un composto chimico tenace di silicio e carbonio con proprietà di semiconduttore ad ampio band-gap. Di natura refrattaria, il SiC è noto anche per la sua elevata conducibilità termica e per le sue proprietà di bassa espansione termica che lo rendono molto resistente agli shock termici.

Il SiC cristallizza in una struttura a pacchetti ravvicinati con quattro atomi di silicio e quattro atomi di carbonio legati in coordinazione tetraedrica e presenta più di 70 politipi; il SiC alfa si trova più frequentemente a temperature superiori a 2000°C con una struttura cristallina esagonale simile alla Wurtzite. Nel frattempo, la modifica beta con struttura cristallina di zincoblenda simile al diamante e la formazione di sfalerite si verificano a temperature più basse.

Il carborundum è una sostanza estremamente rara in natura, ma è un elemento base dei meteoriti ricchi di carbonio presenti nello spazio. Sintetizzato artificialmente per la prima volta nel 1891 da Edward Acheson nell'ambito del suo lavoro di produzione di diamanti artificiali, il materiale è stato poi scoperto naturalmente nel meteorite Canyon Diablo in Arizona nel 1893 e chiamato moissanite dal nome del premio Nobel Henri Moissan.

Proprietà meccaniche

Il carburo di silicio ha una superficie estremamente dura, con un punteggio di 9 sulla scala Mohs, che lo rende la ceramica non ossidata più dura e uno dei materiali più duri in assoluto. È un materiale eccellente per le applicazioni che comportano usura meccanica, come gli abrasivi e i refrattari, e vanta buone proprietà termiche che resistono agli ambienti ad alta temperatura e agli shock termici.

Il silicio sostituisce la metà degli atomi di carbonio, garantendo migliori proprietà di conduzione del calore grazie al raggio atomico simile tra silicio e carbonio, che contribuisce a ridurre la dispersione dei fononi.

Il carburo di silicio si presenta sotto forma di cristalli iridescenti di colore da giallo a verde a nero-bluastro che sublimano con la decomposizione a 2700degC. Sebbene sia insolubile in acqua, il SiC è solubile in alcali fusi come NaOH e KOH e in ferro fuso e il suo modulo di Young e la sua durezza sono determinati dalla struttura, dai difetti di impilamento, dalla dimensione dei grani e dalla natura dei loro confini.

Proprietà elettriche

L'ampio bandgap energetico del carburo di silicio gli consente di resistere a temperature e tensioni più elevate rispetto al silicio, rendendolo adatto ad applicazioni che richiedono dispositivi elettronici veloci ma affidabili. Inoltre, la sua capacità di resistere a tali tensioni è preziosa nei sistemi di batterie per veicoli elettrici che riducono le dimensioni e il peso eliminando del tutto gli inverter.

Il SiC è un materiale popolare grazie alla sua combinazione di proprietà ceramiche e semiconduttrici, che contribuisce al progresso della tecnologia elettronica. Inoltre, la durezza, la forza, la bassa espansione termica e la resistenza alle reazioni chimiche hanno contribuito alla sua crescita di popolarità.

Il carburo di silicio viene creato riscaldando sabbia di silice pura con carbonio in un forno elettrico, creando lingotti di qualità metallurgica e abrasiva, noti come a-SiC e b-SiC a seconda della qualità e dell'uso previsto. Una volta formati, i lingotti vengono tagliati in diverse dimensioni e forme a seconda delle applicazioni desiderate, prima di essere miscelati con elementi aggiuntivi come alluminio o azoto per ottenere le caratteristiche desiderate.