Introduzione

Ceramica al carburo di silicio Hanno fatto passi da gigante nell'industria automobilistica di recente grazie alla loro straordinaria durezza e ad altre proprietà eccezionali. I nuovi sviluppi nella tecnologia automobilistica e nelle energie rinnovabili hanno reso possibile l'utilizzo di queste ceramiche avanzate nell'industria automobilistica a livello globale. L'articolo di oggi illustrerà i vantaggi, le proprietà uniche e le applicazioni delle ceramiche al carburo di silicio nell'industria automobilistica e in molti altri settori. Discuteremo anche del ruolo dei semiconduttori SiC nei veicoli elettrici (EV). Infine, approfondiremo le attuali tendenze di mercato delle ceramiche al carburo di silicio.

Caratteristiche della ceramica al carburo di silicio

Le ceramiche al carburo di silicio sono materiali ceramici avanzati realizzati con silicio e carburo. Si possono ottenere artificialmente come carborundum o naturalmente come moissanite. Parlando di ceramiche al carburo di silicio, la prima cosa che viene in mente è l'eccezionale durezza del materiale e la sua capacità di resistere a condizioni estreme come calore estremo, ossidazione (ruggine) e temperature elevate. È interessante notare che i materiali SiC, come i wafer di SiC e i dissipatori di calore in ceramica SiC, presentano un ampio bandgap che li aiuta a condurre calore ed elettricità in modo eccellente rispetto ad altri materiali.

Non c'è da stupirsi, il industria automobilistica sta rapidamente adottando la ceramica SiC nella produzione di automobili, veicoli elettrici, motori per auto, ricambi per auto e molte altre apparecchiature correlate. Il motivo è semplice: i materiali ceramici in carburo di silicio tendono a offrire risultati di gran lunga migliori e più efficienti in un'ampia gamma di applicazioni rispetto alla media dei materiali ceramici avanzati.

Alcune proprietà del carburo di silicio che lo rendono utile in molti settori industriali oggi sono:

• Ottimi conduttori di elettricità e di calore estremo.

• Bassa densità

• Elevato punto di fusione di 2.730 °C

• Elevata resistenza alla compressione e durezza, seconde solo a quelle del diamante.

• Bassa dilatazione termica.

• Presenta inoltre superfici resistenti ai graffi.

• Hanno un ampio band gap che li rende semiconduttori adatti per dispositivi elettronici ad alta potenza e veicoli elettrici.

• Modulo di Young superiore a 400 GPa.

• Elevata resistenza alla corrosione e alle sostanze chimiche come gli acidi.

• Capacità di resistere a temperature elevate, fino a 1.300 °C.

Vantaggi della ceramica al carburo di silicio per vari settori

La ceramica al carburo di silicio offre numerosi vantaggi utili a diversi settori, come l'industria automobilistica, l'industria chimica, le aziende di ingegneria, l'industria metallurgica, l'industria della plastica, ecc.

Ecco ora alcuni dei vantaggi che si possono ottenere dall'applicazione della ceramica al carburo di silicio:

• Offre un modo rapido ed efficiente per dissipare il calore nelle automobili e nei macchinari industriali pesanti. In altre parole, le auto non si surriscaldano se nella loro produzione viene utilizzato un materiale ceramico in carburo di silicio.

• Le vostre automobili e perfino i macchinari industriali pesanti, i motori e i pezzi di ricambio sfruttano la durezza compressiva e la tenacità del SiC, aumentandone la durata.

• I materiali SiC conducono l'elettricità in modo estremamente buono e sono pertanto molto adatti ai veicoli elettrici.

• Il basso coefficiente di attrito della ceramica per autoveicoli la protegge da sollecitazioni meccaniche, usura e rotture.

• Grazie al basso coefficiente di dilatazione termica, le vostre auto e attrezzature reagiscono in modo eccellente agli shock termici.

• Grazie alla loro elevata stabilità termica e conduttività, questi materiali SiC possono essere utilizzati in condizioni sfavorevoli e in ambienti con temperature elevate o instabili senza subire danni termici.

• È possibile utilizzare queste ceramiche al carburo di silicio per produrre smalti per unghie resistenti e materiali plastici nell'industria della ceramica.

• Utilizzando wafer e dissipatori di calore in carburo di silicio per produrre componenti elettronici ad alta potenza, veicoli elettrici e automobili, è possibile risparmiare tempo e denaro.

• I wafer e i chip in carburo di silicio possono aumentare il tasso di conversione di potenza della tua automobile.

• Le vostre automobili e i vostri veicoli elettrici gestiranno l'energia in modo più efficiente grazie all'uso di materiale SiC per caricabatterie di bordo e convertitori CC/CC.

• I telefoni cellulari, i veicoli elettrici e i computer moderni sono più veloci e produttivi grazie ai chip wafer in carburo di silicio che tengono il sistema sotto controllo.

• Riduzione dei guasti ai freni grazie alla rapida dissipazione del calore della ceramica per autoveicoli.

• Utilizzando materiali SiC si consuma meno carburante, grazie alla minore dispersione di calore e alla stabilità termica.

• I wafer di carburo di silicio aiutano i produttori a ridurre le dimensioni e a realizzare macchinari o componenti di dispositivi leggeri.

Applicazioni della ceramica nell'industria automobilistica

L'applicazione delle ceramiche al carburo di silicio nell'industria automobilistica è aumentata drasticamente negli ultimi anni. Le aziende di ingegneria che desiderano produrre automobili resistenti e affidabili dipendono principalmente dalla resistenza e dalla durezza di questi materiali. Cilindri, scarichi, portiere, motori, pezzi di ricambio, chip semiconduttori, rivestimenti di cilindri e forni e collettori di aspirazione sono alcune delle apparecchiature che utilizzano le ceramiche al carburo di silicio. Alcune delle applicazioni includono:

Motori e rivestimenti per motori

I motori funzionano in modo ottimale quando riescono a condurre il calore correttamente senza compromettere l'intero sistema. Questa è una proprietà unica dei materiali ceramici avanzati come il carburo di silicio. Hanno un'eccellente conduttività termica e stabilità, pur mantenendo la loro struttura. Possono quindi essere utilizzati per rivestire motori per impieghi gravosi e scarichi per automobili, oppure direttamente nella produzione di questi motori.

Pistoni

Rivestire ceramiche per auto come i pistoni con SiC garantisce una migliore riflessione del calore. Come? Aumenta la frequenza di combustione del carburante e riduce l'accumulo di carbonio.

Testate dei cilindri

Le camere di combustione ad alta intensità delle luci di scarico e delle testate dei cilindri bruciano bene grazie ai rivestimenti ceramici che aiutano a far circolare il calore più velocemente.

Gonne a pistone

L'abrasione e la resistenza ai graffi sono una delle principali proprietà dei materiali ceramici in carburo di silicio. Pertanto, blocchi motore e mantelli dei pistoni ottengono una superficie di scorrimento asciutta e protetta quando vengono rivestiti con materiale in carburo di silicio.

Collettori di aspirazione

Quando si utilizza materiale ceramico in carburo di silicio per i rivestimenti dei collettori di aspirazione nell'industria automobilistica, solitamente si riscontra un livello ridotto di penetrazione del calore a causa della miscela più fredda di aria e carburante.

Il ruolo dei semiconduttori al carburo di silicio nei veicoli elettrici (EV)

Grazie alle batterie al carburo di silicio e ai wafer di carburo di silicio (semiconduttori), i veicoli elettrici sono diventati una delle ultime novità nel campo della tecnologia automobilistica. Appaiono piccoli, compatti e leggeri, ma rispetto alle automobili medie, sono più efficienti, con velocità di commutazione impressionanti e perdite di potenza ridotte. Le proprietà uniche dei semiconduttori al carburo di silicio, come la stabilità termica, la rapida ed efficace dissipazione del calore e la conduttività elettrica e termica stabile, sono ciò che spinge i produttori a considerarli la soluzione ideale per la progettazione di veicoli elettrici più piccoli, meno complessi ma economici. I veicoli elettrici utilizzano circuiti di ricarica, wafer di carburo di silicio (come chip), batterie o inverter per il loro corretto funzionamento.

Si dice che Tesla abbia aperto nuove strade per la sua Model 3 nel 2017, quando è diventata la prima casa produttrice di veicoli elettrici a produrre un inverter di trasmissione in carburo di silicio.

Questi inverter, o batterie al SiC, come li chiamereste, forniscono energia ai veicoli elettrici convertendo rapidamente l'energia elettrica in essi contenuta nella corrente necessaria per farli muovere. Quindi, senza la batteria al carburo di silicio, che richiede una ricarica, le ruote dei veicoli elettrici non si muoverebbero di un millimetro. Questo perché questi semiconduttori al SiC agiscono come una sorta di "centralina" che controlla il flusso di energia elettrica tra il motore elettrico, il pacco batteria e altri componenti.

La tua automobile media consuma circa 500-600 chip semiconduttori, Ciò porta a una maggiore produzione di calore. Pertanto, vi è una crescente necessità di chip in grado di trasferire questo calore in modo più rapido ed efficace. I chip semiconduttori in carburo di silicio rappresentano ora una soluzione molto utile a questo problema, poiché possono gestire efficacemente il calore prodotto e dissiparlo rapidamente senza influire sul sistema. I nuovi e migliorati veicoli elettrici che vediamo oggi sono dotati di circa 2.000 chip semiconduttori in carburo di silicio. Ciò comporta ovviamente un miglioramento della densità, della potenza e del tasso di conversione dell'energia, nonché una maggiore conduttività termica e stabilità dei veicoli elettrici.

Tendenze attuali del mercato della ceramica al carburo di silicio

Il mercato della ceramica al carburo di silicio è attualmente valutato a 1,27 miliardi di dollari. Una cifra piuttosto impressionante, vero? Gli economisti stimano il tasso di crescita annuo composto a 5,25 miliardi di dollari, dato il notevole aumento della domanda e della concorrenza di mercato. Inoltre, una stima di almeno 1,2 miliardi di dollari entro il 2030 è un'ulteriore prova del notevole andamento del mercato negli ultimi anni. Aziende asiatiche come Fuji Electric Company, Ltd. e ROHM Companies si sono affermate come attori chiave in questo mercato del SiC.

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Domande frequenti

Il carburo di silicio si scioglie in acqua?

No, è insolubile in acqua ma solubile in ferro fuso e idrossido di potassio (KOH)

Qual è la migliore tra una batteria al carburo di silicio e una agli ioni di litio?

Le batterie SiC tendono a essere migliori rispetto alle normali batterie agli ioni di litio, perché (batterie al carburo di silicio) si caricano più velocemente, hanno una durata maggiore e possiedono una densità energetica più elevata, il che le rende più resistenti delle loro controparti (agli ioni di litio).

Cosa differenzia il nitruro di gallio (GaN) dal carburo di silicio (SiC)?

Sebbene questi due materiali semiconduttori abbiano proprietà simili, il carburo di silicio ha un bandgap più ampio, pari a 3,4 eV, mentre il nitruro di gallio ha un bandgap di 3,4 eV.

Conclusione

Le ceramiche al carburo di silicio stanno attualmente avendo un impatto significativo sulle economie mondiali e su molti settori industriali a livello globale. Hanno rivoluzionato completamente il volto dell'industria automobilistica, dall'utilizzo di ceramiche per autoveicoli nella produzione di veicoli e automobili elettriche a basso costo ma altamente efficienti alla produzione di wafer, semiconduttori e batterie al carburo di silicio ad alte prestazioni, caricabatterie di bordo e rivestimenti migliorati per pistoni. Le ceramiche al carburo di silicio rappresentano davvero una svolta!