Che cos'è il carburo di silicio?

Il carburo di silicio è un composto chimico inerte con elevati punti di fusione e di ebollizione, che può essere trasformato in piastre ceramiche non reattive utilizzate nei giubbotti antiproiettile. Essendo anche un materiale semiconduttore, il carburo di silicio rappresenta un'ottima scelta di materiale.

Grazie alle sue eccezionali proprietà elettriche, il silicio ha il potenziale per estendere l'autonomia dei veicoli elettrici migliorando la conservazione dell'energia e riducendo le dimensioni e il peso dei sistemi elettronici di potenza.

Durezza

Il carburo di silicio (SiC) è un composto inerte e chimicamente stabile composto da carbonio (C) e silicio (Si). Presente in natura come la gemma moissanite, la produzione di massa in polvere avviene dal 1893 per l'uso come abrasivo e come parte delle piastre ceramiche dei giubbotti antiproiettile.

Il SiC è il terzo materiale più duro sulla Terra, con una durezza Mohs di 13, che lo rende altamente resistente alla deformazione per compressione. Solo il diamante (durezza Mohs di 15) e il carburo di boro (durezza Mohs di 14) superano la resistenza del SiC alla deformazione per compressione.

Il SiC granulato è relativamente fragile ma può essere fratturato con una sega diamantata, mentre la sua resistenza alle alte temperature e l'insensibilità chimica lo rendono inattaccabile da soluzioni concentrate di acido fluoridrico, acido nitrico o acido solforico; si scioglie tuttavia in soluzioni alcaline diluite.

Il carburo di silicio sinterizzato per reazione (RSSC) è una ceramica avanzata che negli ultimi anni è diventata il materiale preferito per le applicazioni di blindatura, grazie ai costi di produzione inferiori rispetto al carburo di silicio sinterizzato direttamente (DSSC) e alle proprietà di porosità zero. L'RSSC vanta densità superiori a 3,04 g cm-3 per i proiettili con anima in piombo e 3,08 g cm-3 per i proiettili perforanti, per prestazioni balistiche comparabili tra RSSC e DSSC.

Gli abrasivi al carburo di silicio, come il carburo di silicio x4, sono abrasivi altamente efficienti che rendono il carburo di silicio x4 la scelta ideale per la smerigliatura, la sbavatura, la miscelazione e la finitura di metalli non ferrosi, acciaio inossidabile e compositi. Ideale per applicazioni di smerigliatura ad alta pressione in ambienti di produzione metallica e aerospaziale, la grana da 120 a 150 lo rende adatto all'uso intensivo in condizioni difficili.

Conduttività termica

Il carburo di silicio (SiC) è un composto chimico estremamente duro e un semiconduttore. Presente in natura come la gemma moissanite, il SiC viene prodotto in serie dal 1893 sotto forma di polvere e cristallo per essere utilizzato come abrasivo o in applicazioni che richiedono un'elevata resistenza: freni, frizioni e giubbotti antiproiettile delle automobili spesso incorporano il SiC nei loro progetti per la sua capacità di resistere a temperature estremamente elevate.

Il SiC è un materiale ideale per le applicazioni di elettronica di potenza grazie alla sua elevata conducibilità elettrica, all'ampio band gap e alle eccellenti proprietà termiche. È in grado di sopportare le alte temperature e le correnti che si trovano in dispositivi come gli inverter senza subire perdite di tensione o di efficienza di corrente; inoltre, contribuisce a ridurre il peso e contemporaneamente a diminuire le dimensioni e l'ingombro di questi dispositivi.

Il SiC si distingue tra i semiconduttori per le sue proprietà termiche superiori e il suo basso coefficiente di espansione, che lo rendono più stabile di altri. Ciò consente al SiC di resistere a temperature più elevate e a una maggiore esposizione ai raggi ultravioletti senza degradarsi o danneggiarsi nel tempo.

Il SiC è un materiale eccellente da utilizzare nelle applicazioni elettroniche di potenza, in particolare negli inverter, grazie alla sua eccellente conducibilità termica, in quanto è in grado di gestire correnti più elevate a temperature più basse e di ridurre le perdite di energia che contribuiscono ad aumentare l'efficienza e la durata del dispositivo.

Il SiC offre molti vantaggi rispetto alle sue controparti per quanto riguarda la resistenza alla corrosione, con valori elevati di punto di fusione e punto di ebollizione che riducono il rischio di ossidazione e costituiscono un ottimo isolante termico che impedisce il trasferimento di calore tra i componenti interni dei dispositivi.

Il SiC è un materiale ideale per l'impiego nei giroscopi grazie all'ampio intervallo di temperature operative e alla resistenza alle vibrazioni, senza contare il fattore di qualità significativamente più elevato rispetto ad altri materiali semiconduttori.

Il SiC cubico viene prodotto attraverso metodi di sintesi a base di carbonio o di deposizione chimica da vapore, che prevedono entrambi l'uso di gas combinati in una camera priva di atmosfera prima di essere rilasciati sulla superficie del wafer per il deposito.

Resistenza agli shock termici

La resistenza agli shock termici si riferisce alla capacità dei materiali di sopportare improvvisi sbalzi di temperatura senza incorrere in cricche interne, il che li rende essenziali nelle applicazioni che coinvolgono la produzione di semiconduttori e le apparecchiature ad alta tecnologia. Il carburo di silicio (SiC) offre eccellenti proprietà di resistenza agli shock termici e dovrebbe essere preso in considerazione quando è esposto a elevati tassi di fluttuazione della temperatura.

Il SiC si trova in numerosi prodotti industriali, dalle turbine a gas alle piastre ceramiche dei giubbotti antiproiettile, fino all'elettronica di potenza dei veicoli elettrici, dove la sua applicazione contribuisce a ridurre le perdite di tensione e di corrente, migliorando al contempo l'efficienza termica - contribuendo così ad aumentare la distanza di guida e riducendo al contempo le dimensioni e il peso dei componenti elettronici di potenza.

I ricercatori hanno condotto un esperimento per valutare la resistenza agli shock termici del SiC x4 realizzato con nitruro di silicio. Questo materiale ha una maggiore resistenza e conducibilità termica rispetto al carburo di silicio puro, il che lo rende adatto a dispositivi elettronici ad alte prestazioni; tuttavia, il suo punto di fusione più basso lo rende meno resistente agli shock termici. I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di nitruro di silicio aumenta significativamente la resistenza agli shock termici di questa variante di SiC di quasi il 200%, rendendolo un materiale versatile ed economico adatto ad applicazioni complesse.

La resistenza agli shock termici del SiC x4 potrebbe essere aumentata grazie alla sua matrice porosa di grafite convertita che contiene sacche di silicio relativamente piccole e distribuite in modo uniforme, a differenza del materiale SiC siliconato convenzionale che presenta tipicamente particelle più grossolane con molte più sacche grandi.

Questa nuova invenzione presenta una maggiore resistenza agli shock termici grazie al SiC x4 con nitruro di silicio, che la rende particolarmente applicabile negli ambienti RTP caratterizzati da rapide variazioni di temperatura che richiedono materiali estremamente resistenti per evitare crepe interne. I ricercatori hanno riscontrato un'eccellente resistenza agli shock termici a 500°C, una caratteristica essenziale per molti ambienti RTP.

Conducibilità elettrica

Il carburo di silicio è un materiale elettronico noto per le sue eccezionali proprietà che lo rendono molto richiesto dalle industrie elettroniche di tutto il mondo. Alcune delle sue incredibili proprietà sono la durezza, la resistenza alla corrosione e la conducibilità termica, qualità che rendono il carburo di silicio adatto all'uso in applicazioni industriali molto richieste.

Il SiC allo stato puro agisce come un isolante elettrico; quando viene introdotto con impurità diventa semiconduttore. Grazie al suo ampio bandgap (la differenza di energia tra le bande di valenza e di conduzione degli atomi all'interno di un materiale), il SiC è ideale per le applicazioni ad alta tensione, dove altri isolanti potrebbero risultare inadatti a causa dei requisiti energetici proibitivi richiesti agli elettroni per passare da una banda a quella successiva.

Questo ampio bandgap consente di ridurre le perdite di tensione, migliorare l'efficienza e aumentare la capacità di gestione della potenza in un pacchetto sempre più compatto, rendendolo perfetto per le applicazioni elettroniche critiche. Inoltre, grazie alla sua bassa perdita di energia, può tollerare temperature più elevate senza dover ricorrere a sistemi di raffreddamento attivo che aggiungono peso, costi e complessità alle apparecchiature.

Il SiC è ideale per l'uso in ambienti esposti a umidità e calore estremi, come i sistemi frenanti delle automobili. Grazie alla sua eccellente resistenza all'ossidazione, il SiC rappresenta un'ottima scelta di materiale per gli utensili da taglio, grazie alla sua capacità di smerigliare metalli come l'acciaio e l'alluminio con una degradazione o un'usura minime; uno dei motivi è il suo grado di durezza Mohs pari a 9, appena un gradino sotto il diamante!

Le proprietà ad alta tensione del SiC lo rendono adatto all'uso nei principali componenti elettronici di potenza dei veicoli elettrici, con perdite di potenza inferiori rispetto al silicio, dimensioni ridotte dei componenti e migliori prestazioni complessive del sistema. Questo aiuta i veicoli elettrici a raggiungere una maggiore autonomia con tempi e costi di ricarica ridotti e una minore dipendenza da sistemi di raffreddamento attivi esterni che aggiungono peso, costi e vincoli di spazio.

Le proprietà versatili del carburo di silicio lo hanno reso un componente integrale di molti settori industriali, con il potenziale per guidare i progressi nella gestione della potenza e nell'efficienza fino al 2024 e oltre. Grazie ai suoi vantaggi in termini di durata, durezza, conduttività e affidabilità, viene impiegato sempre più spesso in applicazioni industriali critiche, con l'obiettivo di aumentare la fattibilità e l'affidabilità.