Introduzione

Il carburo di silicio è uno dei materiali ceramici avanzati più utilizzati oggi. L'eccezionale durezza e l'elevata conduttività termica sono alcune delle proprietà eccezionali che hanno portato a un aumento della domanda e della produzione di questi materiali SiC. Grazie alle tecnologie più recenti, è possibile produrre carburo di silicio a livello industriale mediante sinterizzazione senza pressione di polvere di SiC o tramite un processo di legame per reazione. L'articolo di oggi fornirà una panoramica dei materiali in carburo di silicio sinterizzati senza pressione, delle loro proprietà, delle applicazioni e di come si confrontano con il carburo di silicio e altri materiali. Imparerete anche in che modo la sinterizzazione per reazione differisce dai metodi di sinterizzazione senza pressione per la produzione di SiC. Infine, analizzerete le attuali tendenze di mercato del carburo di silicio sinterizzato senza pressione.

Carburo di silicio sinterizzato

Il carburo di silicio sinterizzato (SSIC) è un tipo di materiale in carburo di silicio che si ottiene sinterizzando polvere di carburo di silicio fine altamente purificata in un materiale ceramico solido. Questa operazione può essere eseguita industrialmente ad alte temperature, calore e pressione. I materiali SSIC presentano un'elevata resistenza alla compressione e durezza, un'elevata conduttività termica e una forte resistenza agli agenti chimici e alla ruggine. Le applicazioni che richiedono elevata precisione dimensionale, alte temperature e stabilità termica traggono vantaggio dall'uso di questi materiali SSIC. Il carburo di silicio sinterizzato senza pressione e il carburo di silicio sinterizzato per reazione sono le principali varianti di materiali SSIC.

Che cosa è il carburo di silicio sinterizzato senza pressione?

Carburo di silicio sinterizzato senza pressione è un tipo di materiale SiC sinterizzato prodotto dalla sinterizzazione di polvere di carburo di silicio ultrafine e ad alta purezza in atmosfera sotto vuoto a pressione atmosferica e ad alte temperature, comprese tra 1980 °C e 2200 °C. Come suggerisce il nome, non è necessaria alcuna pressione esterna per produrre questi materiali. Talvolta, durante la pressatura, è possibile utilizzare additivi di sinterizzazione come allumina (Al₂O₂) e carburo di boro (B₂C) per fondere la polvere di SiC in materiali ceramici solidi con elevata stabilità termica. La sinterizzazione senza pressione conferisce ai materiali ceramici un corpo molto denso poiché durante la produzione la densità viene aumentata oltre 951 TP₂T della densità teorica.

Proprietà del carburo di silicio sinterizzato senza pressione

Ecco alcune delle proprietà uniche dei materiali SiC sinterizzati senza pressione:

• Ha un'elevata durezza

• Un punto di fusione elevato di 3103K

• Densità di 3,21 g/cm³

• Elevata resistenza alla corrosione e alle sostanze chimiche.

• Elevata conduttività termica superiore a 200 Wm-1k-1

• Un grande modulo elastico che raggiunge i 410 GPa

• Capacità di resistere a temperature elevate che raggiungono i 1.600°C

• Elevata resistenza alla compressione di circa 3000 MPa

• Valore di purezza SiC di 99%

• Una porosità inferiore a 0,2%

• Durezza Vickers di 2.500HVO.5

• Coefficiente di dilatazione termica di 4×10-6i°C

Confronto tra sinterizzazione di reazione e sinterizzazione senza pressione del carburo di silicio

Esistono due metodi principali per produrre industrialmente materiali in carburo di silicio sinterizzato: la sinterizzazione a reazione e la sinterizzazione senza pressione di materiali in carburo di silicio.

Sinterizzazione di reazione del carburo di silicio

È possibile produrre questo tipo di materiale SSIC mescolando grafite e particelle fini di alfa-SiC in una quantità predeterminata. Quindi, riscaldandolo a 1650 °C, le alte temperature farebbero reagire l'alfa-SiC con il carbonio presente nel corpo di grafite, formando beta-SiC. Successivamente, il silicio viene infiltrato completamente e i pori rimanenti vengono riempiti per ottenere un materiale SSIC sinterizzato per reazione. Questo processo è più rapido e riduce i costi rispetto ai materiali SSIC senza pressione. Basso temperature di sinterizzazione Sono tutto ciò che serve per produrre questi materiali SSIC a reazione. Sebbene il processo di sinterizzazione a reazione sia efficace per la produzione di materiali di grandi dimensioni, i materiali prodotti solitamente non hanno una densità uniforme. Alcuni di essi si rompono anche dopo la produzione finale. Il processo di sinterizzazione a reazione non è inoltre ecologico. Gas e liquidi lo permeano maggiormente rispetto ai materiali SSIC sinterizzati senza pressione a causa dell'elevata porosità di questi materiali SSIC.

Sinterizzazione senza pressione del carburo di silicio

È possibile produrre materiali SSIC tramite sinterizzazione senza pressione, che prevede il riscaldamento di polveri di SiC ultra-fini e ad alta purezza in solidi materiali ceramici. Ciò può essere fatto in due modi: sinterizzazione in fase solida e sinterizzazione in fase liquida:

Sinterizzazione in fase solida

In questo tipo di sinterizzazione, si hanno due soluzioni solide, che possiamo definire additivi, ad esempio boro e carbonio. Il boro può essere utilizzato per ridurre l'energia superficiale dell'interfaccia SiC, mentre il carbonio rimuove il biossido di silicio (carburo di silice) all'interfaccia con il SiC, aumentandone l'energia superficiale. La sinterizzazione in fase solida utilizza altri additivi come allumina (Al₂O₂), nitruro di boro (BN) o una combinazione di carburo di boro e allumina.

Sinterizzazione in fase liquida

In questa fase, è possibile utilizzare diversi ossidi eutettici come Y₂O₂-Al₂O₂ come additivi o come elemento singolo. Questa fase funziona meglio a basse temperature. La densificazione del SiC si ottiene attraverso il movimento delle particelle di SiC, la diffusione e il trasferimento di massa, generati dal basso punto eutettico.

Alcuni produttori preferiscono il metodo di sinterizzazione in fase liquida rispetto a quello in fase solida perché ha una buona stabilità termica, richiede meno materie prime e comporta costi di produzione inferiori.

Nel complesso, la sinterizzazione senza pressione del carburo di silicio consente di ottenere materiali SSIC di qualità superiore, con maggiore purezza e densità. Ciò significa che può essere utilizzata dalle industrie che producono dispositivi elettronici ad alta temperatura o anche in applicazioni che richiedono elevata precisione e stabilità termica. Tuttavia, se si desidera risparmiare tempo e ridurre i costi di produzione, è possibile optare per il processo di sinterizzazione a reazione per la produzione di SiC sinterizzato. La scelta tra queste due opzioni dipende quindi da cosa si intende fare e da come si desidera che venga realizzata l'applicazione.

Confronto tra carburo di silicio sinterizzato e carburo di silicio

Il carburo di silicio sinterizzato (SSIC) è un tipo di materiale ceramico SiC prodotto dalla sinterizzazione di particelle di SiC ultrafini e ad alta purezza in materiali ceramici duri e supersolidi. Il carburo di silicio (SiC), d'altra parte, è un materiale ceramico avanzato Composto da silicio e carburo. Il SiC esiste nella forma artificiale, il carborundum, o in quella naturale, la moissanite. Ora, questi due elementi (silicio e carbonio) vengono combinati chimicamente in industrie high-tech sotto temperature elevate per produrre materiali ceramici con elevata resistenza alla compressione, durezza, stabilità termica e resistenza alla corrosione e agli agenti chimici. I materiali SiC possono essere utilizzati principalmente per la produzione di abrasivi, materiali tenaci e con superfici dure come dissipatori di calore in ceramica, pezzi di ricambio per macchine, componenti per motori aerospaziali e automobilistici, ecc.

I materiali SSIC sono generalmente superiori ai materiali in carburo di silicio perché sono diventati più resistenti al calore intenso, la loro porosità è stata ridotta, mentre la loro conduttività elettrica e termica è stata notevolmente migliorata rispetto a quella dei componenti in carburo di silicio.

Applicazioni del carburo di silicio sinterizzato senza pressione

Il carburo di silicio sinterizzato senza pressione trova oggi innumerevoli applicazioni in vari settori. Tra queste:

Industria manifatturiera

Questi materiali SSIC senza pressione e ad alte prestazioni possono essere utilizzati per produrre anelli di tenuta, cuscinetti radenti e parti resistenti all'usura in macchinari industriali pesanti.

Industria elettrica

Nell'industria elettrica odierna, è possibile utilizzare questi materiali ceramici SSIC per realizzare semiconduttori, armi e artiglieria, apparecchiature ed elettronica di potenza ad alta temperatura, grazie alla loro eccellente resistenza alla compressione e alla capacità di resistere a condizioni sfavorevoli.

Industria metallurgica

Il carburo di silicio sinterizzato senza pressione può essere utilizzato nella produzione di strumenti e apparecchiature metalliche che richiedono un rapido trasferimento di calore o conduttività elettrica. Materiali come dissipatori di calore in ceramica, ugelli di combustione, componenti di rivestimento per forni, ecc.

Industria del vetro

I materiali in vetro, come finestrini, parabrezza delle automobili, specchietti laterali e strumenti ottici, possono essere tutti realizzati in materiale SiC sinterizzato senza pressione.

Tendenze attuali del mercato e valore di mercato del carburo di silicio sinterizzato senza pressione

Il mercato del carburo di silicio sinterizzato senza pressione sta crescendo a un ritmo sorprendente, se si analizza l'economia mondiale. Vi chiederete perché? Semplicemente perché attualmente il mercato non offre sostituti migliori per la ceramica al carburo di silicio e le sue varie tipologie, inclusi i materiali SSIC senza pressione.

Nel 2023, il mercato globale del SiC sinterizzato senza pressione era valutato a 1,4 miliardi di tonnellate (TP4T2,3 miliardi), con un'ampia dimensione di mercato di oltre 1,4 miliardi di tonnellate (TP4T3 miliardi). Pertanto, se si desidera investire, è importante sapere che il tasso di crescita annuo composto (CAGR) è di 8,5 miliardi di tonnellate (TP3T) nel periodo 2024-2030, quindi si prevede che il valore di mercato raggiungerà 1,4 miliardi di tonnellate (TP4T3,8 miliardi) entro il 2030.

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Domande frequenti

A quale temperatura avviene la sinterizzazione del carburo di silicio?

Il carburo di silicio sinterizza a temperature comprese tra 1950°C e 2200°C.

I materiali in carburo di silicio presentano delle limitazioni?

Sì, a causa della loro elevata resistenza, tendono ad essere molto fragili e a reagire male agli urti violenti o agli shock meccanici.

Qual è la rigidità del SiC?

La rigidità dei materiali in carburo di silicio è di circa 440-490 GPa, il che indica che possono mantenere la loro forma originale sotto qualsiasi forma di sollecitazione meccanica.

Conclusione

Il carburo di silicio sinterizzato senza pressione è un materiale ceramico a base di carburo di silicio economico ma efficace. Grazie a queste proprietà meccaniche migliorate, all'elevatissima purezza, all'elevata densità e alle molteplici applicazioni in vari settori, raggiungerà sicuramente traguardi ancora più ambiziosi grazie alle innovazioni introdotte nel prossimo futuro. Tenete d'occhio questi materiali e prodotti in carburo di silicio.