La densità del carburo di silicio

Il carburo di silicio, più comunemente chiamato Carborundum o SiC, è un materiale ceramico duro con numerose applicazioni. Questa versatile sostanza serve come abrasivo, ha proprietà di semiconduttore ad ampio bandgap e può anche essere fabbricata in componenti ceramici strutturali.

La produzione prevede la reazione e la pirolizzazione dei polisilossani sotto pressione, la macinazione in polvere, la sinterizzazione per formare forme solide e la macinazione per la modellazione microstrutturale finale. Ogni fase è parte integrante della produzione del materiale finale, con risultati diversi a seconda dei metodi di formatura utilizzati, che hanno un'influenza significativa sulla microstruttura.

Densità teorica

La composizione densa del carburo di silicio gioca un ruolo fondamentale nella sua capacità di resistere alle sollecitazioni chimiche, termiche e meccaniche. Grazie alle sue proprietà superiori di durezza e conducibilità termica, il carburo di silicio è un materiale eccellente per applicazioni ad alte prestazioni e sollecitazioni.

I materiali più densi tendono ad offrire una maggiore resistenza alla corrosione e all'usura. Inoltre, i loro bassi tassi di espansione/restringimento consentono di resistere meglio alle temperature estreme, rendendoli ideali per gli impianti elettrici e del gas.

Il SiC è anche altamente resistente alle radiazioni e ha un bandgap insolitamente ampio rispetto ad altri semiconduttori, che gli consente di operare a temperature, tensioni e frequenze molto più elevate rispetto ai suoi simili. Il SiC può quindi essere utilizzato in una varietà di applicazioni elettroniche e industriali, tra cui la generazione di energia, il settore aerospaziale e quello automobilistico.

Raggiungere densità elevate di SiC può essere una sfida per i componenti di grandi dimensioni. Ma con la tecnologia di compressione a rampa è ora possibile raggiungere densità uniformi fino a 98% della densità teorica. Il processo prevede la creazione di una dispersione omogenea di una miscela di polveri di dimensioni submicroniche, composta principalmente da carburo di silicio e da un additivo contenente boro; quindi la modellazione di questa miscela di polveri in corpi verdi prima della sinterizzazione a 1900deg-2100deg C in condizioni di atmosfera controllata.

Gli additivi contenenti boro devono essere aggiunti durante la miscelazione della polvere in una quantità equivalente a una parte in peso di boro elementare per 100 parti di carburo di silicio, per una densificazione sicura senza segregazione ai confini del grano.

Densità fisica

Il carburo di silicio (C-Si) è un materiale artificiale composto da carbonio (C) e silicio (Si). Ha il secondo grado di durezza Mohs dopo il carburo di boro (9) e offre una forza, una resistenza all'usura e una resistenza alla corrosione eccezionali; infatti, può persino sopportare l'esposizione agli acidi fluoridrico e solforico senza corrodersi - oltre all'acqua, la maggior parte delle sostanze chimiche, compresi gli alcali, non possono dissolverlo! La versatilità del carburo di silicio come materiale ingegneristico lo rende popolare anche tra gli scienziati.

Essendo in grado di sopportare operazioni di taglio e rettifica ad alta velocità e di essere utilizzato per applicazioni di sabbiatura e lavorazione, lo smeriglio è ampiamente utilizzato per il moderno lavoro lapidario grazie alla sua durata e al suo rapporto qualità-prezzo. Inoltre, è un'importante materia prima per la produzione di composti di smerigliatura e lucidatura.

Il carburo di silicio è emerso come materiale primario della tecnologia spaziale grazie alla sua eccezionale durata e resistenza alle radiazioni. Per questo motivo, gli specchi in carburo di silicio sono diventati la scelta di molti dei più grandi telescopi, come quelli delle missioni Herschel e BepiColombo, o possono anche essere modellati in telai rigidi per resistere a temperature che si trovano su Venere e a livelli di radiazioni superiori alle aspettative.

Recenti evidenze sperimentali dimostrano che l'a-SiC è stabile nella sua fase B1 in un'ampia gamma di condizioni che corrispondono a quelle previste nel mantello di esopianeti ricchi di carbonio, a differenza del suo comportamento sulla Terra dove si decompone rapidamente in silice e ossigeno.

Densità chimica

Il carburo di silicio, più comunemente chiamato SiC, è un composto chimico formato da silicio (numero atomico 14) e carbonio (numero atomico 6). Ha un aspetto cangiante, da verde a nero-bluastro, con caratteristiche di incombustibilità; la sua densità è di 3,21 grammi per cm3.

Il carburo di silicio è presente in natura in quantità limitate nelle meteoriti, nei depositi di corindone e nei depositi di kimberlite; tuttavia, la maggior parte del carburo di silicio utilizzato nei dispositivi elettronici è prodotto sinteticamente. Edward Acheson sintetizzò per la prima volta il carburo di silicio nel 1891, quando tentò di creare diamanti artificiali riscaldando argilla e coke in polvere in un forno ad arco elettrico; durante questa operazione notò dei cristalli verdi brillanti simili al diamante attaccati agli elettrodi di carbonio e chiamò questi cristalli “moissanite”, dal nome del tipo di pietra a cui assomigliavano.

Il SiC è un materiale semiconduttore con un band gap estremamente ampio, che gli consente di operare a temperature e tensioni più elevate rispetto ad altri materiali semiconduttori. Grazie alla sua eccellente conducibilità termica, la dissipazione del calore avviene rapidamente, mentre la sua struttura cristallina densa offre una resistenza superiore all'usura, perfetta per applicazioni come gli utensili da taglio.

I Laboratori EAG hanno una vasta esperienza nell'analisi del SiC utilizzando tecniche analitiche sia in massa che con risoluzione spaziale. Il SiC è un materiale estremamente utile per la produzione di semiconduttori, in quanto può essere drogato con vari elementi per modificarne le caratteristiche elettrotermiche. Assicurare la concentrazione e la distribuzione spaziale dei droganti, eliminando al contempo i contaminanti indesiderati, è fondamentale per creare prodotti semiconduttori di alta qualità.

Densità termica

Il carburo di silicio è un materiale estremamente denso e una delle sostanze più dure disponibili, che offre un'eccellente resistenza alla corrosione come materiale ceramico che potrebbe ridurre i sistemi di raffreddamento attivi nei veicoli elettrici.

Il carburo di silicio (SiC) è un solido grigio chiaro legato covalentemente con una durezza relativa pari a quella del diamante sulla scala Mohs. I refrattari che possiedono queste proprietà sono ideali per l'uso in quanto il SiC ha un elevato punto di fusione, conduttività termica e bassi tassi di espansione termica.

Il carburo di silicio può essere drogato con azoto o fosforo per formare un semiconduttore di tipo n; o drogato con berillio, boro, alluminio e gallio per ottenere un semiconduttore di tipo p. Grazie al suo ampio bandgap, è in grado di gestire una tensione tre volte superiore rispetto ai semiconduttori di silicio standard. Il carburo di silicio è diventato il materiale preferito per la produzione di dispositivi elettronici grazie al suo ampio utilizzo come materiale per componenti elettronici.

I depositi naturali di SiC sono presenti in alcuni campioni di meteoriti, depositi di corindone e kimberlite, ma la maggior parte del SiC industriale è prodotto sinteticamente. Le varianti di SSiC e SiSiC sono tra i materiali più utilizzati in condizioni difficili come la stampa 3D, la produzione balistica, la produzione chimica e le applicazioni di tecnologia energetica, nonché i componenti dei sistemi di tubazioni, grazie alle loro proprietà termiche; la loro maggiore densità rispetto al quarzo puro rende questi composti un'interessante sostituzione del metallo e offrono buone proprietà di rigidità, durezza e resistenza alle alte temperature che rivaleggiano con le proprietà termiche del quarzo puro rispetto al quarzo puro e alla resistenza alle alte temperature, rendendo questi composti interessanti alternative di sostituzione del metallo.