Carburo di silicio Definizione

Il carburo di silicio (SiC) è una ceramica non ossidata ultra dura con proprietà e applicazioni specifiche, scoperta per la prima volta nel 1891 dall'inventore americano Edward G. Acheson mentre cercava di produrre diamanti artificiali.

Il SiC è tipicamente un isolante allo stato puro, ma può presentare una semiconduttività attraverso un drogaggio controllato. Un materiale ad ampio bandgap come il SiC può spostare l'energia elettrica in modo più efficiente rispetto ai semiconduttori tradizionali.

Origine

Il carburo di silicio (SiC) è un composto duro e fragile di carbonio e silicio con formula chimica SiC. Questo materiale è presente in natura sotto forma di moissanite, ma viene prodotto in serie come abrasivo dal 1893. I grani di questo materiale possono essere fusi insieme mediante sinterizzazione per produrre ceramiche molto dure, che trovano applicazioni come freni/ frizioni/ piastre di frizione per autoveicoli inserite in giubbotti antiproiettile e dispositivi elettronici a semiconduttore che operano ad alte temperature e/o tensioni.

I moderni metodi di produzione del carburo di silicio per l'industria degli abrasivi, metallurgica e dei refrattari prevedono il riscaldamento di una miscela di sabbia di silice pura e coke di carbonio in un forno a resistenza elettrica con corrente elettrica che passa attraverso conduttori di carbonio per innescare reazioni chimiche che producono SiC. Si tratta di un processo intensivo che può durare giorni, in quanto entrambi gli elementi bruciano nel nulla prima di dissiparsi nuovamente nel nulla.

Il SiC è un materiale eccezionalmente stabile e a bassa espansione termica. Queste caratteristiche, unite alla durezza, alla rigidità e alla conducibilità termica, lo rendono una scelta eccellente per gli specchi utilizzati nei grandi telescopi ottici. Il SiC sta inoltre diventando un interessante sostituto dei tradizionali semiconduttori di silicio in applicazioni impegnative come l'elettronica di potenza per i veicoli elettrici terrestri e le reti mobili 5G, in quanto è in grado di sopportare densità di potenza e temperature di esercizio più elevate, offrendo al contempo una maggiore affidabilità rispetto a questi materiali tradizionali.

Proprietà

Il carburo di silicio (SiC), prodotto dalla combinazione di silicio e carbonio, è un materiale interessante con molte caratteristiche desiderabili. Il SiC è duro, durevole e in grado di resistere alle alte temperature; non ossida e resiste alla corrosione; è una ceramica estremamente forte e abrasiva che lo rende adatto ad applicazioni come freni e frizioni e a materiali strutturali come i giubbotti antiproiettile.

Il carburo di silicio allo stato puro è un isolante elettrico; tuttavia, se trattato con un drogaggio controllato di impurità, può presentare proprietà semiconduttive. A differenza dei conduttori, che consentono sempre il libero flusso di elettricità, i semiconduttori possono essere in grado di amplificare, commutare o convertire le correnti elettriche attraverso la stimolazione di campi elettrici o onde elettromagnetiche come la luce. Questa capacità è alla base di dispositivi elettronici come i diodi Schottky, i MOSFET e i FET, che hanno resistenze di accensione significativamente più basse rispetto ai transistor bipolari quando vengono applicati ad alta tensione.

Il bandgap del carburo di silicio è significativamente più ampio di quello del silicio e richiede una quantità di energia significativamente maggiore per la transizione degli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, il che gli consente di sopportare campi elettrici significativamente maggiori senza perdite di potenza nei dispositivi elettronici.

Applicazioni

Il carburo di silicio (SiC) è recentemente tornato in auge come materiale ceramico industriale, diventando una delle sostanze più dure conosciute, in grado di rivaleggiare con il diamante e il carburo di boro in termini di durezza. Il SiC è utilizzato anche nelle armature antiproiettile: i suoi blocchi di ceramica dura impediscono ai proiettili di penetrare.

Il carburo di silicio può anche diventare un semiconduttore con l'aggiunta di impurità controllate. Il drogaggio può includere l'aggiunta di droganti di boro e alluminio per i semiconduttori di tipo p o di azoto e fosforo per creare semiconduttori di tipo n. Ciò offre molte applicazioni nella produzione di dispositivi elettronici come i semiconduttori di potenza.

Il SiC viene impiegato più frequentemente come abrasivo, sfruttando la sua durezza o l'azione smerigliante per smerigliare metalli, vetro e superfici ceramiche come le piastrelle. Inoltre, la fusione del SiC e la sua applicazione come rivestimento di utensili in acciaio ne aumenta la durata, mentre un'altra applicazione è quella di stabilizzatore nella produzione di ceramiche di alta qualità.

Sebbene il SiC si trovi in natura sotto forma di gemme di moissanite, la maggior parte della produzione di SiC avviene per via sintetica. Il SiC viene prodotto riducendo la sabbia di silice con il carbonio in forni a resistenza elettrica ad alte temperature; quindi viene mescolato con il coke per produrre varietà nere o verdi note come a-SiC e b-SiC, che vengono poi lavorate in base alle applicazioni previste.

Il mercato

Il carburo di silicio è uno dei composti chimici più vantaggiosi che l'uomo conosca ed è anche una delle sostanze più dure che si conoscano. Sebbene sia raro in natura, il carburo di silicio deve essere sintetizzato prima di essere utilizzato a livello commerciale. Il carburo di silicio trova impiego in diverse applicazioni industriali, tra cui la robotica, gli impianti di produzione e gli azionamenti dei motori, dove la sua durata offre resistenza alle abrasioni; anche gli utensili da taglio e le mole lo utilizzano ampiamente.

L'ampio bandgap del carburo di silicio gli consente di operare a frequenze e temperature più elevate riducendo al minimo le perdite di energia, con conseguente maggiore efficienza e durata delle batterie dei veicoli elettrici (EV). Questa domanda ha creato un'impennata nelle vendite di elettronica di potenza in SiC.

I membri dell'industria del SiC raccolgono anche i frutti del forte sostegno governativo in Nord America, come le sovvenzioni per la ricerca, gli incentivi ai finanziamenti e i premi per l'innovazione e lo sviluppo tecnologico.

L'Advanced Business Intelligence, Research & Analysis Wing (ABIRAW) di SkyQuest fornisce informazioni di mercato dettagliate sul carburo di silicio (SiC). Raccoglie, collaziona e mette in relazione dati primari e secondari per ottenere un quadro chiaro di questo mercato, quindi conduce analisi approfondite che identificano i driver, le sfide e le opportunità al suo interno, offrendo infine alle decisioni strategiche di business una tabella di marcia per il successo. I rapporti sono disponibili sia sul loro sito web che su Amazon per periodi di tempo limitati.