Una panoramica sui materiali ceramici in carburo di silicio

Il carburo di silicio è uno dei materiali ceramici avanzati più duri e durevoli, utilizzato sia per la sua durezza come materiale abrasivo che per la resistenza al calore e il basso coefficiente di espansione termica nei refrattari e nelle applicazioni ceramiche.

La moissanite può anche essere presente in natura come minerale trasparente. I primi campioni sintetizzati artificialmente furono creati nel 1891 durante il tentativo di Edward Acheson di creare diamanti artificiali; in seguito, il chimico premio Nobel Henri Moissan sintetizzò artificialmente altri campioni.

Resistenza alle alte temperature

Il carburo di silicio (SiC) è una ceramica non ossidata estremamente forte che offre un'eccezionale resistenza alla corrosione e agli attacchi chimici a temperature elevate. Il SiC trova impiego come materiale di rivestimento refrattario nei forni industriali, come materiale di rivestimento refrattario, nelle mole, negli utensili da taglio e nelle applicazioni in cui la resistenza è essenziale, come mole, utensili da taglio e applicazioni di lavorazione. Inoltre, i componenti in SiC costituiscono parti fondamentali di elementi riscaldanti a resistenza, termistori per forni elettrici, tubi di rivestimento e superfici di tenuta contenenti SiC.

Il SiC è noto per la sua superiore resistenza termica e la sua forza a temperature elevate, che lo rendono molto apprezzato nelle applicazioni industriali. Il SiC resiste all'ossidazione a temperature fino a 1000 gradi C creando uno strato protettivo di ossido che agisce come una barriera tra le sue superfici e gli elementi che le circondano; tuttavia, a temperature più elevate, le crepe possono penetrare questa barriera e dissipare energia attraverso regioni intercristalline o granulari, con conseguente difficoltà ad aumentare la resistenza a temperature elevate.

Il carburo di silicio può essere fabbricato attraverso due processi distinti: incollaggio per reazione e sinterizzazione. Entrambe le forme influenzano in modo significativo la microstruttura e quindi le prestazioni a temperature elevate. L'incollaggio per reazione comporta l'infiltrazione di compatti verdi costituiti da miscele di SiC e carbonio con silicio liquido; in questo modo si creano strutture con variazioni dimensionali minime durante la lavorazione e un'area superficiale estesa. La microstruttura refrattaria a guscio fornisce caratteristiche uniche che hanno dimostrato di aumentare la resistenza del SiC a temperature elevate.

Resistenza alle alte temperature

La notevole resistenza del carburo di silicio lo rende un materiale eccellente per le applicazioni ad alta temperatura, come le pastiglie dei freni in ceramica per le automobili di largo consumo. Il carburo di silicio è in grado di resistere a temperature fino a 1400degC, pur mantenendo le sue eccezionali caratteristiche di resistenza e durezza, che lo rendono un materiale ideale.

Il carburo di silicio si distingue da altri materiali ceramici per il fatto che non si degrada e non si scioglie ad alte temperature, rendendolo adatto all'uso in applicazioni con elevati livelli di stress e di carico, come cuscinetti e piastre antiproiettile, senza subire danni strutturali permanenti. Ciò rende il carburo di silicio particolarmente ideale per le applicazioni che comportano elevati livelli di stress da carico, come i cuscinetti e le piastre antiproiettile.

Il carburo di silicio è presente in natura sotto forma di moissanite, minerale estremamente raro, mentre la produzione di sic sintetico soddisfa le esigenze delle moderne industrie della difesa nazionale, dell'energia nucleare, della tecnologia spaziale e aerospaziale, che richiedono dimensioni precise.

Il carburo di silicio sinterizzato vanta una delle conducibilità termiche più elevate tra le ceramiche tecniche, seconda solo al nitruro di alluminio. Ciò può essere attribuito alla sua struttura reticolare di ossigeno che produce una grande dispersione di fononi. Sebbene la sua conducibilità termica possa essere ulteriormente aumentata utilizzando additivi ossidanti nei processi di sinterizzazione, questi dovrebbero essere mantenuti al minimo assoluto per preservare la stabilità strutturale e la resistenza all'ossidazione del materiale.

Basso coefficiente di espansione termica

Il basso coefficiente di espansione termica del carburo di silicio lo rende il materiale perfetto per l'uso come composito a matrice ceramica (CMC) in condizioni difficili, rendendolo popolare in applicazioni come le turbine a gas e gli ugelli dei razzi, dove i materiali devono sopportare alte temperature e shock termici.

La resistenza alla corrosione rende l'acciaio inossidabile una scelta eccellente per i rivestimenti dei forni chimici industriali, dove può sopportare temperature estreme mantenendo la sua integrità strutturale. Inoltre, l'acciaio inossidabile offre una grande stabilità chimica che consente lunghi periodi di funzionamento in ambienti liquidi ostili come soluzioni acide e alcaline.

Il polimorfo più diffuso del carburo di silicio, la forma alfa, si trova a temperature superiori a 1700 gradi, con una struttura cristallina wurtzite e punti di fusione superiori a 1700 gradi. Tuttavia, può esistere anche la forma beta, più rara, con una struttura cristallina di zinco blenda simile a quella del diamante e un punto di fusione più basso, a 1030 °C. Questa forma più rara può servire come supporto per i catalizzatori eterogenei.

Il carburo di silicio può essere trovato sia come ceramica porosa che densa. Le tecniche di produzione variano notevolmente e la microstruttura finale dipende dal metodo di produzione utilizzato. Il SiC legato per reazione è prodotto infiltrando compatti di miscela carbonio-SiC con silicio fuso che reagisce tra loro per formare altro SiC, legando il compatto iniziale; il SiC sinterizzato, come l'Hexoloy, è formato attraverso processi di formatura della ceramica convenzionali prima di essere sinterizzato ad alte temperature in atmosfera inerte.

Alta durezza

La durezza del carburo di silicio sulla scala Mohs arriva fino a 9,5, collocandosi al terzo posto solo dopo il diamante e il nitruro di boro. Questo lo rende adatto per utensili da taglio e materiali abrasivi, nonché per la produzione di parti resistenti all'usura ad alta temperatura, come cuscinetti e guarnizioni, nelle applicazioni dell'industria meccanica.

La combinazione unica di proprietà chimiche stabili, eccellente conducibilità termica, basso coefficiente di espansione termica, durezza e resistenza meccanica del carburo di silicio lo ha portato ad essere ampiamente utilizzato in diversi settori industriali, tra cui quello petrolifero, dell'ingegneria chimica, della microelettronica, dell'automobile, dell'aviazione, dell'industria cartaria e mineraria. Inoltre, il carburo di silicio trova impiego anche nell'elettronica informativa per la protezione dell'ambiente e nelle applicazioni per l'utilizzo dell'energia.

Il carburo di silicio (SiC) può essere prodotto con due processi, l'incollaggio per reazione e la sinterizzazione, che influiscono entrambi sulla microstruttura finale. Il SiC legato per reazione viene tipicamente creato infiltrando compatti composti da miscele di silicio e carbonio con silicio liquido, che reagisce poi con altre molecole di silicio-carbonio per formare altri legami di SiC, mentre il SiC sinterizzato viene prodotto utilizzando tecniche convenzionali di formatura della ceramica e ausiliari di sinterizzazione non ossidati.

L'eccellente lavorabilità del carburo di silicio lo rende un materiale eccellente per la produzione di componenti di tenuta resistenti all'usura, soprattutto se combinato con la grafite. Questa combinazione offre coefficienti di attrito inferiori a quelli della ceramica di allumina e delle leghe dure e mantiene la sua forma in presenza di elevati valori di PV per evitare la fuoriuscita di sostanze chimiche come alcali e acidi nell'ambiente.

reazione legata sic

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