ESPLORARE L'USO DEL SUBSTRATO DI CARBURO DI SILICIO: UN MATERIALE CERAMICO AVANZATO

Introduzione:

Uno dei materiali ceramici avanzati che sta riscuotendo successo nel settore manifatturiero è la ceramica al carburo di silicio. Il mondo della scienza è entusiasta di questa scoperta. Si tratta di un materiale ceramico avanzato che ha fornito risposte a numerose esigenze industriali, in particolare nel settore dell'elettronica di potenza.

Origine del carburo di silicio

Il semiconduttore avanzato oggi noto come carburo di silicio fu scoperto per caso nel 1891 da Acheson Ed. Era uno scienziato americano che voleva fornire un'alternativa ai diamanti. Le sue intenzioni erano chiare, ma il risultato del suo esperimento produsse il carburo di silicio, che gli diede popolarità, poiché nessuno aveva mai fatto una scoperta del genere.

Il carburo di silicio fu scoperto anche in natura come minerale, in un meteorite nel 1893 da Moissan Henri. Da qui il suo secondo nome, Moissanite. Grazie a questa scoperta e alla somiglianza dei suoi componenti con la polvere di stelle, il carburo di silicio fu soprannominato "pietra preziosa del cielo".

FIG 1: Un pezzo di meteorite

Preparazione commerciale del carburo di silicio

La ceramica al carburo di silicio può essere prodotta sinteticamente in quantità commerciali. Esistono due metodi noti per la produzione sintetica del carburo di silicio: il metodo Lely, avviato da Anthony Lely nel 1955, noto anche come tecnologia di crescita cristallina, e il metodo del vapore chimico.

FIG. 2: Legame covalente del carburo di silicio

1. Metodo Lely: Si tratta di un processo di produzione commerciale di cristalli di carburo di silicio per l'industria dei semiconduttori. In questo caso, la polvere di carburo di silicio viene sublimata e riscaldata in un crogiolo ad altissime temperature con gas argon. Successivamente, i cristalli si aggrappano a un'asta al centro del crogiolo, che si trova a una temperatura inferiore.

2. Metodo del vapore chimico: Si tratta di un metodo adottato dalle industrie metallurgiche ed estrattive per generare prodotti ad elevata purezza8. Il metodo del vapore chimico prevede la degradazione di atomi di silicio e carbonio in un ambiente controllato. La degradazione incompleta risultante da questo metodo produce substrati di carburo di silicio, utilizzati dall'industria dei semiconduttori7.

Le molteplici dimensioni del carburo di silicio come ceramica semiconduttrice

Il carburo di silicio è una sostanza nota anche come carborundum. Altri nomi con cui è noto sono carburo di silicio semiconduttore, SIC, ceramica SIC e substrato di carburo di silicio. Spesso invertiremo l'uso dei nomi nella nostra analisi delle varie caratteristiche di questa ceramica avanzata.

Tuttavia, indipendentemente dal nome scelto per la sostanza, le sue caratteristiche di base rimangono le stesse. Le caratteristiche della ceramica sic che verranno esaminate più approfonditamente sono le proprietà chimiche, fisiche e meccaniche.

Proprietà chimiche del carburo di silicio (Sic): Il carburo di silicio è un composto chimico costituito da ioni di silicio e carbonio fortemente legati tra loro. I forti legami di questa ceramica avanzata la rendono chimicamente inerte. Il gap di banda della sua struttura chimica è elevato, rendendola altamente efficace come ceramica semiconduttrice (ceramica sic).

In altre parole, il sic non può essere facilmente disintegrato da altre sostanze chimiche, in particolare acidi e basi. Il legame tetraedrico tra atomi di silicio e carbonio produce un substrato di carburo di silicio1. Di conseguenza, il sic possiede la composizione interna richiesta che ben si adatta al settore manifatturiero, soprattutto come semiconduttore.

È anche altamente resistente ai sali e agli alcali e non può essere sciolto in acqua. Può invece essere sciolto nel ferro fuso e in alcune forme di acido fluoridrico.

Dal punto di vista elettronico, la densità intrinseca dei portatori del silicio ceramico è molto bassa, il che ne aumenta l'idoneità alle operazioni ad alta temperatura.

Proprietà fisiche: Questi si riflettono facilmente nel colore, nella forma e nella consistenza del materiale. Il carborundum è una gemma e questo si riflette nelle sue varie tonalità di colore. Proprio come i diamanti, sono molto apprezzati per la loro lucentezza, e i colori sono classificati da 4 a 7. È anche importante notare che la sua brillantezza verdastra può essere scambiata per un diamante.

Noto anche come Sic cte per le sue caratteristiche termiche (dove Sic cte definisce il suo coefficiente termico), il carburo di silicio è noto per condurre un'elevata quantità di elettricità. Ha un punto di ebollizione e un punto di fusione molto elevati.

Proprietà meccaniche del carburo di silicio: Il carburo di silicio è un materiale molto duro. Infatti, è la sostanza più dura. Il carburo di silicio è un materiale notoriamente duro, secondo solo al diamante. La covalenza nei legami tra gli atomi di silicio e quelli di carbonio nel carburo di silicio lo rende molto duro. La ceramica al SiC è considerata altamente resistente alla corrosività e agli urti.

La ceramica Sic è molto pesante e ha anche un'elevata capacità di assorbimento.

Carborundum e politipismo: La ceramica di SiC cristallizza in diverse strutture attraverso un processo noto come politipismo2, che produce politipi della ceramica avanzata. La formazione di politipi nel carburo di silicio è attribuita alle differenze nelle caratteristiche superficiali sia del carbonio che del silicio5.

I politipi di ceramica sic presentano caratteristiche distintive in termini di mobilità, banda proibita e proprietà elettroniche. Si differenziano anche per la disposizione dei cristalli2. Le caratteristiche cristalline del carburo di silicio hanno dato origine alla sua forma di carborundum, una pietra preziosa di grande valore.

La mobilità dei politipi ceramici sic è dimostrata nell'impiego del carburo di silicio per lo sviluppo di materiali acustici.

FIG 3: Cristalli ceramici di Sic

Utilizzi della ceramica sic (carburo di silicio):

1. La ceramica Sic è considerata uno dei migliori materiali ceramici avanzati utilizzati per la produzione di equipaggiamento balistico. Tra questi rientrano indumenti protettivi come i giubbotti antiproiettile. La maggior parte dei giubbotti antiproiettile utilizza materiali ceramici avanzati come strato frontale. Ciò è dovuto alla capacità del semiconduttore di deviare proiettili ad alta velocità come i proiettili9.

2. Il Sic CTE viene utilizzato come rivestimento per la tecnologia dei microsistemi elettromeccanici (MEMS) impiegata in sistemi biomedici e biochimici10. I prodotti elettrici derivati dalla tecnologia MEMS, come generatori e sistemi acustici, richiedono tali caratteristiche del Sic CTE. L'obiettivo nella scelta del Sic CTE è raggiungere un'elevata economicità di produzione e un'elevata affidabilità8.

FIG 4: Semiconduttori in carburo di silicio nelle parti del generatore

3. Il carburo di silicio è un materiale ceramico avanzato affidabile, utilizzato nella produzione di mattoni durevoli per l'edilizia. Il silicio, presente nell'argilla utilizzata per la produzione di mattoni, gli conferisce le caratteristiche di ceramica avanzata. I mattoni vengono utilizzati in edilizia per ottenere resistenza, durata e buona ventilazione nelle strutture edilizie11.

FIG 5: Semiconduttore in carburo di silicio (mattoni)

4. Il settore aeronautico è rinomato per l'attenzione rivolta alla qualità e alla durata delle proprie attrezzature. Questo aspetto è alla base dell'utilizzo del rivestimento ceramico in silicio nei materiali impiegati per la costruzione degli aeromobili. Questo garantisce che gli aeroplani siano sufficientemente resistenti da resistere alla forza dei venti e dei velivoli ad alta velocità. Il peso appropriato della ceramica in silicio utilizzata garantisce inoltre la stabilità degli aeromobili.

FIG 6: Parti di aeromobili realizzate in ceramica sic

5. Le caratteristiche fisiche e microstrutturali dei materiali ceramici avanzati come la ceramica sic li rendono la scelta ideale. Sono opportunamente impiegati nella produzione di componenti critici di apparecchiature elettriche come generatori e strumenti chirurgici. Il loro utilizzo come film sottili garantisce la lunga durata dei materiali e la loro resistenza all'usura.

FIG 7: Utilizzo del Sic in elettronica.

6. All'inizio di questo articolo avevamo accennato che il carburo di silicio è anche noto come carborundum. Il termine carborundum si applica in particolare alla ceramica di silicio, in particolare al suo utilizzo per la gioielleria. Come valida alternativa ai diamanti, il carborundum è molto apprezzato per la fabbricazione di anelli di fidanzamento. È meno costoso dei diamanti, ma altrettanto d'impatto!

7. La capacità del carburo di silicio di supportare alte tensioni elettriche lo rende adatto ai veicoli elettrici e solari. Il carburo di silicio ha un'elevatissima conduttività termica e favorisce la dissipazione del calore tra i componenti dei veicoli elettrici12. La ceramica di silicio utilizzata nei caricabatterie per veicoli elettrici (EV) promuove l'efficienza riducendo la necessità di altri componenti12.

8. La ceramica di SiC è utile per i processi fotocatalitici. Si tratta di metodi utilizzati per aumentare i processi termodinamici sfruttando l'energia luminosa per la fotosintesi. I processi fotocatalitici contribuiscono a ridurre l'esposizione dell'ambiente a sostanze chimiche e tossine derivanti dalle attività industriali. In questo modo, il carburo di silicio è uno strumento utile per la protezione del nostro ambiente13.

9. La durezza dei materiali ceramici in silice li rende adatti all'uso come abrasivi. Gli abrasivi stessi devono possedere resistenza alla trazione e durevolezza. Abrasivi come la ceramica in silice sono utilizzati in diversi settori, come l'edilizia e la tecnologia. Esempi di abrasivi includono la carta vetrata, utilizzata per levigare superfici ruvide e morbide14.

FIG 8: Abrasivo al carburo di silicio - carta vetrata

10. Il carburo di silicio viene utilizzato anche per la fabbricazione di materiali da taglio. È molto duro e, come tale, può resistere alla corrosione durante il taglio di altri oggetti. I materiali rivestiti in carburo di silicio ceramico offrono un potenziale di precisione e durezza quando vengono utilizzati per il taglio di materiali duri. Inoltre, il carburo di silicio ceramico utilizzato per il taglio non si usura né si corrode facilmente nonostante l'uso ripetuto.

Sfide nell'uso di carburo di silicio includono quanto segue:

Ø Il carburo di silicio è un materiale molto raro. Di conseguenza, la sua disponibilità dipende dalla produzione commerciale, che nella maggior parte dei casi si traduce in forme impure del composto.

Ø I costi di produzione del carburo di silicio sono elevati e ciò si riflette negli alti costi di acquisto da parte degli industriali che ne hanno bisogno.

Conclusione:

Il carburo di silicio è un'ottima scoperta e ha continuato ad avere un impatto significativo nelle sue varie forme di utilizzo. Ci auguriamo che ulteriori progressi tecnologici emergano per innovare metodi più economici e renderlo disponibile a un maggior numero di industriali.