Fin dalla nascita del carburo di silicio, la sua elevata rigidità e stabilità alle alte temperature sono state radicate nel suo "NDA"; è utilizzato come materiale abrasivo e refrattario in grandi quantità in vari settori. Con l'avvento della tecnologia di sintesi SiC, è stato utilizzato nel campo dei semiconduttori LED ad alta luminosità dalla fine del XX secolo. Negli ultimi dieci anni, spinto dalla forte crescita dei settori emergenti come i veicoli a nuova energia, lo stoccaggio dell’energia fotovoltaica e le comunicazioni 5G, il carburo di silicio ha registrato un aumento della domanda.
Il seguente articolo illustrerà le caratteristiche, il grado, la sintesi e gli usi del carburo di silicio per aiutarti a comprenderlo più a fondo.
Caratteristiche del materiale
● Resistenza alle alte temperature: anche a una temperatura di 1600-1650℃, le proprietà meccaniche e la forma delle parti in ceramica SiC possono rimanere buone.
● Elevata conduttività termica: può raggiungere 120~200 W/km, seconda solo al nitruro di alluminio (AlN) e all'ossido di berillio (BeO)
● Basso coefficiente di espansione termica (CTE): SiC (4,0~4,5-6/K) è una delle ceramiche industriali con espansività termica più vicina a quella dei chip Si (2,5 ~4,2 x 10-6/K).
● Durezza/resistenza all'abrasione: La sua durezza Mohs è 9,5, appena inferiore a quella del diamante (10).
● Resistenza alla corrosione: è uno dei prodotti chimicamente più inerti tra tutte le ceramiche avanzate. In vari ambienti difficili, può resistere all'invecchiamento.
● Altro: leggero (3,1~3,2 g/cm 3 ), modulo elastico elevato (400~450 GPa), eccellente shock termico, non bagnato o eroso dalla maggior parte dei metalli fusi, proprietà semiconduttrici, buon isolamento elettrico e non tossico.
Gradi e sintesi
Il carburo di silicio è un materiale fondamentale per i componenti strutturali ceramici. Il suo grado è principalmente suddiviso in base al processo di sinterizzazione e al grado di densificazione come segue:
1. Tipo sinterizzato senza pressione (SSiC)
● Metodo di sintesi:
La densificazione si ottiene attraverso la sinterizzazione in fase solida ad alta temperatura e pressione atmosferica aggiungendo coadiuvanti di sinterizzazione come boro e carbonio. Questo è il processo più comune ed economico.
● Prestazioni:
Alta densità (densità teorica ≥98%), eccellente resistenza, durezza, resistenza all'usura e resistenza alla corrosione.
● Applicazioni:
Anelli di tenuta, cuscinetti, ugelli, rivestimenti resistenti all'usura, mobili del forno (carrelli, rulli), ecc.
2. Tipo legato a reazione (RBSiC)
● Metodo di sintesi:
Dopo che la polvere di α-SiC e la polvere di carbonio sono state miscelate e modellate, reagiscono con il silicio fuso o il vapore di silicio ad alta temperatura per generare β-SiC, che riempie i pori e ottiene la densificazione.
● Prestazioni:
Alta densità, deformazione ideale della sinterizzazione, elevata precisione dimensionale, ciclo di preparazione breve e basso costo. Ma il materiale solitamente contiene una piccola quantità di silicio libero, che ne limita la temperatura massima di esercizio (circa 1350°C) perché il silicio si scioglierà.
● Applicazioni:
Componenti con elevati requisiti di precisione dimensionale, come tenute meccaniche di precisione, supporti riscaldatori nel settore fotovoltaico, rulli, ecc.
3. Tipo ricristallizzato (R-SiC)
● Metodo di sintesi:
Un processo di sinterizzazione senza pressione che utilizza il trasferimento di massa di evaporazione-condensazione del SiC ad alte temperature per ottenere la crescita e il legame dei grani, senza l'aggiunta di alcun coadiuvante di sinterizzazione.
● Prestazioni:
Estremamente puro e privo di vetro, offre un'eccellente resistenza alle alte temperature (capace di un uso a lungo termine superiore a 1600°C) e un'eccellente resistenza all'ossidazione e agli shock termici. Presenta tuttavia un'elevata porosità (circa 15%-20%) e una resistenza meccanica relativamente bassa.
● Applicazioni:
Arredi per forni di fascia alta (come supporti e travi), ugelli per bruciatori, tubi per scambiatori di calore e altre applicazioni che coinvolgono ambienti ad alta temperatura e ricchi di ossigeno.
4. Tipo di pressatura isostatica a caldo (HIPSiC)
● Metodo di sintesi:
La sinterizzazione viene eseguita a temperature elevate utilizzando una pressione estremamente elevata (pressatura a caldo) o gas isotropico ad alta pressione (pressatura isostatica a caldo). Solitamente vengono aggiunti ausili per la sinterizzazione.
● Prestazioni:
Il raggiungimento di una densità teorica pari a quasi il 100%, con grani fini e uniformi, garantisce le proprietà meccaniche (resistenza e tenacità) più elevate di tutti i gradi.
● Applicazioni:
Utilizzato in applicazioni con requisiti prestazionali estremamente esigenti, come blindature, componenti aerospaziali critici e utensili da taglio di fascia alta. A causa del suo costo elevato, il suo campo di applicazione è limitato.
Usi ceramici del carburo di silicio
Poiché diversi gradi di carburo di silicio offrono diverse combinazioni di proprietà, possono essere adattati con precisione a settori specifici e trasformati nelle vostre soluzioni aziendali. La tabella seguente elenca le applicazioni corrispondenti in base alle prestazioni, che speriamo possano essere utili.
Proprietà principali | Industrie target | Parti reali negli usi |
Eccellente resistenza all'usura | Minerario, energetico, chimico | ● Ugello: sabbiatura, taglio a getto d'acqua
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Produzione di automobili e macchinari | ● Tenute: tenute per alberi per ambienti severi. ● Piastre antiusura | |
Ottima resistenza meccanica e rigidità | Pompe, valvole e macchinari per fluidi | ● Tenute meccaniche: utilizzate nelle pompe chimiche e nelle pompe multistadio. ● Sfere e rulli per cuscinetti: utilizzati in mandrini ad alta velocità e macchine utensili di precisione. ● Manicotti e collari reggispinta della pompa: componenti principali delle pompe a trascinamento magnetico. |
Difesa e aerospaziale | Materiale per armature leggero: sfrutta la sua elevata durezza e resistenza elevata per resistere agli urti | |
Eccellente resistenza alle alte temperature e capacità di gestione termica | Metallurgia, vetro, ceramica | ● Accessori forno: Mobili forno (supporti, traverse, piastre di spinta), forno. ● Ugelli del bruciatore: componenti del bruciatore altamente efficienti e a risparmio energetico. |
produzione di semiconduttori | ● Componenti per la lavorazione dei wafer: dischi di macinazione, dispositivi, pale di ricottura e vassoi epitassiali. Garantiscono la planarità e la bassa contaminazione dei wafer di silicio durante i processi ad alta temperatura. | |
Eccellente inerzia chimica | Industria chimica, petrolio e gas | ● Anelli di tenuta e tenute meccaniche: utilizzati nelle pompe che gestiscono acidi forti (acido solforico, acido cloridrico) e alcali forti. ● Sfere e sedi delle valvole: controllano il flusso di fluidi corrosivi. ● Scambiatori di calore: utilizzati per il trasferimento di calore in ambienti altamente corrosivi. |
Elevata conduttività termica e proprietà elettriche | Elettronica di potenza e semiconduttori | ● Substrati di dispositivi elettronici: dissipatori di calore per LED ad alta potenza e moduli IGBT. ● Attrezzature per la produzione di wafer: mandrini e riscaldatori elettrostatici. |
Rilevamento e controllo industriale | ● Gruppi riscaldatore e sensore: apparecchiature per il trattamento termico ad alta temperatura. |
Conclusioni
In breve, il carburo di silicio è un materiale ceramico avanzato e versatile, soprattutto in termini di resistenza all’usura, prestazioni termiche e inerzia chimica, che supera di gran lunga le altre ceramiche ingegnerizzate. Ha una varietà di metodi di sintesi, che danno origine a diversi gradi di prodotti con proprietà uniche. Le parti in carburo di silicio consentono numerosi scenari applicativi impegnativi, consentendo loro di superare limiti più elevati e fornire migliori soluzioni di costo totale.
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