L'alta temperatura di fusione del carburo di silicio

Il carburo di silicio è una ceramica non ossidica estremamente dura e resistente, dotata di eccellenti proprietà alle alte temperature, ampiamente utilizzata in numerosi settori industriali per applicazioni particolarmente impegnative.

L'esame frattografico dei campioni sottoposti a prova in atmosfera di argon a temperature comprese tra 1500 e 2100 °C ha evidenziato che solo lo strato più esterno era ossidato; solo la sua crosta di ossido conteneva grani di boro deformati e allungati, circondati da whiskers di WO₃.

Termodinamica

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale ceramico inerte che presenta numerose proprietà industriali molto apprezzate. Tra queste figurano l'elevata resistenza meccanica, la resistenza all'usura, la resistenza agli shock termici e la conduttività termica, oltre alla resistenza agli acidi e agli alcali e alla capacità di resistere a temperature fino a 1600 °C.

Il SiC può fungere sia da isolante elettrico che da semiconduttore, a seconda del suo livello di drogaggio e della sua composizione. Il drogaggio con azoto o fosforo determina una conduttività di tipo n, mentre il drogaggio con boro, gallio o alluminio può generare una conduttività di tipo p.

Il carburo di silicio è oggi ampiamente utilizzato in settori che spaziano dalla produzione dell'acciaio, al trattamento termico dei metalli, alla produzione di vetro float e alla fabbricazione di componenti ceramici ed elettronici, fino alle armature in materiale composito (come l'armatura Chobham) e alla produzione di giubbotti antiproiettile.

Il SiC fonde in funzione sia della pressione che della temperatura, e la sua temperatura di fusione è determinata da entrambe le variabili. A basse pressioni, il suo diagramma di fase mostra una fusione incongruente che si verifica come miscela di equilibrio tra il cristallo cubico 3C e il cristallo esagonale 6H (vedi [17]). A pressioni più elevate, tuttavia, alcuni studi hanno osservato una fusione congruente che porta alla formazione di un liquido con una curva di fusione ben definita, come illustrato nella Figura 5. La sua cinetica lenta è probabilmente dovuta alle notevoli differenze tra il raggio atomico del carbonio e quello del silicio (vedi [18]).

Pressione

Il carburo di silicio ha fatto parlare di sé grazie alle sue proprietà semiconduttrici, in particolare alla sua resistenza alla tensione superiore rispetto al silicio tradizionale. Inoltre, il carburo di silicio può essere utilizzato anche come abrasivo e in applicazioni refrattarie, come i dischi freno ad alte prestazioni per automobili.

Il SiC si presenta più frequentemente sotto forma di carburo di silicio alfa (a-SiC), con una struttura cristallina esagonale simile a quella della wurtzite. Tuttavia, a temperature più basse può formarsi anche la forma beta, che presenta però applicazioni commerciali limitate. Il SiC è noto per essere un materiale resistente e durevole, con proprietà simili a quelle del diamante, resistente al calore e alla corrosione.

Il carburo di silicio viene prodotto sotto forma di polvere o di cristalli per essere impiegato in varie applicazioni refrattarie, abrasive e metallurgiche. In combinazione con la grafite, viene spesso utilizzato per produrre carburo di silicio rinforzato con fibra di carbonio, impiegato nei dischi freno ad alte prestazioni per autovetture.

Il processo Lely è il metodo più diffuso per la produzione del carburo di silicio. Esso prevede il riscaldamento di una miscela di sabbia silicea e carbone (solitamente coke) a temperature molto elevate in un crogiolo di granito con un conduttore di carbonio che funge da elettrodo; mentre la corrente elettrica attraversa il coke, si innescano reazioni chimiche che consentono la sublimazione a temperature più basse e il deposito su bacchette di grafite a temperature più fredde, dando origine a cristalli verdi puri di SiC noti come moissanite.

Diffusione

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale cristallino amorfo con un punto di fusione estremamente elevato (2700 °C). A causa dei forti legami covalenti tra gli atomi di Si e C, il carburo di silicio presenta estrema durezza e fragilità, pur non raggiungendo la durezza del diamante (9,5 sulla scala di Mohs). Si trova in natura sotto forma di moissanite, scoperta nel 1893 nel cratere meteoritico di Canyon Diablo, in Arizona; in alternativa, viene prodotto artificialmente mediante riduzione di silice e carbonio in un forno elettrico ad alte temperature.

Il carburo di silicio è ampiamente utilizzato grazie alle sue eccezionali proprietà fisiche e chimiche. Vanta caratteristiche elettriche superiori, quali una resistenza alla tensione 10 volte superiore rispetto al silicio standard e prestazioni migliori rispetto al nitruro di gallio nei sistemi che operano a tensioni superiori a 1000 V; inoltre, dimostra resistenza agli shock termici e all’usura.

Nell’ambito degli sforzi volti a migliorare le proprietà isolanti del carburo di silicio, quest’ultimo viene spesso ricoperto da uno strato di carbonio (noto come “C-cap”) per mitigare il degrado durante i processi di ricottura ad alta temperatura. Purtroppo, tuttavia, questo rivestimento può anche avere effetti negativi sull’autodiffusione, favorendo la formazione di coppie di Frenkel e creando antisiti immobili (si veda la figura 4 per un’illustrazione di questo fenomeno). La figura 4 mostra un confronto tra campioni senza rivestimento e campioni con rivestimento in C ricotti a 1700 °C per un’ora; i profili differiscono tra i campioni a causa della presenza di fori minuscoli sui campioni con rivestimento in carbonio ricotti a 1700 °C per un’ora in entrambi i campioni; ciò è evidenziato dalle differenze tra i loro grafici di Arrhenius delle curve di autodiffusione (che indicano la presenza di fori minuscoli sul campione con rivestimento in carbonio).

Temperatura

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale ceramico non ossidico caratterizzato da una notevole stabilità termica e resistenza alle alte temperature. Composto da atomi di carbonio e silicio disposti in modo compatto e legati da strutture a reticolo cristallino, il SiC presenta un punto di fusione molto elevato, una caratteristica che lo rende adatto ad applicazioni industriali in cui si raggiungono temperature estreme.

Il SiC puro non è un ottimo conduttore elettrico; tuttavia, il suo drogaggio con specifici dopanti ne aumenta significativamente la conduttività. Inoltre, la resistenza agli shock termici e alla scorrimento del SiC supera quella di altri materiali ceramici ad alta temperatura, come l’allumina o il carburo di boro.

Nell'industria siderurgica, il carburo di silicio 90% è una componente fondamentale dei forni ad ossigeno di base (BOF). Funge da combustibile per aumentare il rapporto tra rottami e metallo fuso e innalzare la temperatura di colata; inoltre, contribuisce a disossidare l’acciaio eliminando le impurità dal bagno di fusione, oltre a rappresentare un mezzo efficace per controllare i livelli di tenore di carbonio nel metallo fuso.

Il SiC non viene utilizzato solo nell’industria siderurgica, ma trova anche molte altre applicazioni. Ad esempio, funge da catalizzatore efficiente nella produzione del cloruro di polivinile e di altri composti organici. Inoltre, il SiC può essere utilizzato per produrre allumina e carburi di boro; è anche un componente fondamentale nelle armature composite, come l’armatura Chobham.