Fibre di carburo di silicio

La fibra di carburo di silicio è un materiale ad alte prestazioni con un'eccezionale resistenza all'ossidazione e stabilità termica, che lo rende adatto all'uso come rinforzo ad alta temperatura in armi e attrezzature aerospaziali avanzate per scopi sia militari che civili.

Le fibre di carburo di silicio sono state sempre più adottate nelle applicazioni aerospaziali, alimentando l'espansione del mercato. Nel frattempo, anche i progressi tecnologici nella produzione di fibre stanno guidando l'espansione del mercato.

Applicazioni

Le fibre di carburo di silicio sono utilizzate nei compositi a matrice ceramica per aumentare la resistenza alla trazione, all'usura e alla stabilità termica. Possono anche essere trasformate in tessuti, utilizzando metodi di tessitura, maglieria o orditura, per rinforzare metalli, ceramiche e altri materiali. Le fibre di carburo di silicio sono caratterizzate da un'elevata resistenza alla trazione e da una bassa densità - caratteristiche ideali per le applicazioni che richiedono un'elevata resistenza alla trazione, alla compressione e al taglio, nonché qualità di resistenza al calore - oltre alle eccellenti proprietà di resistenza all'usura che le rendono adatte alle applicazioni resistenti al calore.

Previsioni sul mercato della fibra di carburo di silicio Il mercato della fibra di carburo di silicio dovrebbe registrare una crescita significativa grazie alla rapida espansione dell'industria aerospaziale. La produzione ha registrato una crescita esponenziale grazie all'aumento delle spedizioni di aerei commerciali e razzi spaziali; inoltre, si prevede che il mercato nordamericano registrerà una domanda elevata a causa dell'aumento della spesa per la difesa e degli investimenti per la NASA.

Le fibre ottiche hanno riscosso un enorme successo anche come materiali di rinforzo e stealth nell'industria aerospaziale, diventando sempre più popolari come materiali di rinforzo e stealth con proprietà eccezionali, tra cui la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura, la durezza e le sezioni d'urto a basso assorbimento di neutroni - caratteristiche perfette per l'uso come materiale di rivestimento nell'energia nucleare, nell'aerospazio e in altri settori.

Le fibre di carburo di silicio (SCF) possono essere utilizzate anche per la creazione di nastri trasportatori resistenti alle alte temperature, scudi termici e tele filtranti che possono sopportare temperature fino a 1000degC. Grazie alla loro capacità di resistere a queste temperature estreme, le fibre di carburo di silicio possono essere combinate con materiali come la fibra di carbonio o il vetro per ottenere una maggiore resistenza con prodotti più leggeri.

Gli innovatori del Glenn Research Center della NASA hanno recentemente presentato un processo a microonde che semplifica la lavorazione delle fibre di carburo di silicio, riducendo i requisiti di potenza, le temperature (fino a 1.000 gradi C), i tempi di lavorazione, la guarigione delle trame danneggiate e l'aumento della resa del materiale SiC utilizzabile. Questa nuova tecnologia ha anche capacità curative che le consentono di guarire i materiali danneggiati e di bassa qualità per garantire la massima resa di materiale utilizzabile.

Si prevede che le fibre di carburo di silicio alfa registreranno una domanda globale significativa grazie alle loro ampie applicazioni industriali. Dalle applicazioni aerospaziali di resistenza all'abrasione e ritardo di fiamma, ai rivestimenti dei reattori nucleari, alle coperte antiradiazioni e ai componenti dei forni, i suoi impieghi spaziano in numerosi settori.

Moduli

Le fibre di carburo di silicio sono utilizzate per rinforzare vari compositi a matrice metallica, ceramica e polimerica. La loro natura forte e resistente all'ossidazione le aiuta a rimanere intatte alle alte temperature, pur essendo sufficientemente leggere per la produzione di compositi leggeri, come quelli presenti nei motori degli aerei a reazione o nelle fusoliere. Le fibre di carburo di silicio trovano impiego anche come materiale di rivestimento ignifugo o per applicazioni ignifughe, come i rivestimenti ignifughi presenti nelle fusoliere e nei motori degli aerei a reazione.

Le fibre possono essere prodotte in modo continuo o intrecciato. Possono essere composte da carburo di silicio alfa o beta o da combinazioni di questi elementi, carbonio tungsteno o un altro metallo, e prodotte tramite pirolisi riscaldando il materiale del substrato in un gas inerte come l'azoto fino a produrne il vapore; quindi facendo passare questo materiale attraverso vari tubi fino a far emergere fibre solide di varie dimensioni e lunghezze.

Queste fibre hanno molti impieghi, dal settore aerospaziale alle armi militari, dalle attrezzature industriali ai nastri trasportatori. Inoltre, possono essere impiegate come rivestimenti ignifughi in forni o reattori nucleari, o utilizzate in filtri progettati per filtrare gas ad alta temperatura o metalli fusi.

Le fibre di carburo di silicio si sono dimostrate più resistenti all'abrasione e alla corrosione rispetto alle loro controparti in fibra di vetro, oltre ad essere più leggere rispetto alle alternative, il che le rende adatte ad applicazioni ad alte prestazioni. Grazie a queste caratteristiche, la loro domanda di mercato è aumentata notevolmente nel corso degli anni.

Tra gli attori principali del mercato globale delle fibre di carburo di silicio figurano Ningxia Anteli Carbon Material Co. Ltd, Specialty Materials e UBE Corporation. Ognuno di essi ha perseguito strategie di crescita come l'espansione della capacità produttiva e gli accordi con gli utenti finali per espandere la propria capacità, aumentare la redditività e ampliare l'offerta e il portafoglio di prodotti. Nel corso del tempo, si prevede che le fibre di carburo di silicio registreranno una rapida espansione grazie al crescente utilizzo nei moderni materiali ad alta resistenza, come i compositi a matrice ceramica.

Proprietà

Le fibre di carburo di silicio possiedono eccellenti proprietà fisiche e chimiche, tra cui la resistenza, il modulo elastico, la resistenza termica e la compatibilità con varie matrici, come metallo e ceramica. La loro combinazione unica di proprietà ha suscitato l'interesse di diversi settori e applicazioni; l'industria aerospaziale e della difesa è uno di questi settori in cui le fibre di carburo di silicio vengono utilizzate per rafforzare i materiali compositi, in particolare per l'uso nelle sezioni di turbina e combustione dei motori aerei, guidando la crescita del mercato nel periodo di previsione.

Le fibre di carburo di silicio sono prodotte attraverso il processo CVD. Questa tecnica utilizza un filo di substrato (tipicamente in tungsteno, ma meno spesso in carbonio) su cui vengono depositati vari precursori organici per formare materiali inorganici che poi vengono sottoposti a pirolisi e trasformati in fibre. Questo metodo offre molteplici vantaggi rispetto ai suoi concorrenti, tra cui un'elevata efficienza produttiva e un prezzo unitario per peso relativamente più basso.

La CVD offre un altro vantaggio per la produzione di fibre di carburo di silicio con diametro controllato, consentendo la fabbricazione di fasci di fibre continue che vengono poi sinterizzate per ottenere il prodotto finale Le fibre sinterizzate sono estremamente dure e hanno eccellenti proprietà meccaniche. Il processo di produzione raggiunge anche livelli di purezza elevati, ottenendo fibre estremamente dure con proprietà meccaniche notevoli.

Le fibre di carburo di silicio possiedono una delle caratteristiche chiave per l'utilizzo ad alte temperature: la resistenza alla corrosione e all'ossidazione a temperature elevate, che ne consente l'utilizzo come materiali compositi ad alte prestazioni con contenuti ridotti di carbonio, rendendoli un'alternativa interessante alle superleghe a base di nichel. La loro resistenza rende il carburo di silicio adatto anche alle applicazioni nei reattori nucleari.

Le fibre di carburo di silicio sono altamente durevoli e non si degradano nel tempo in condizioni operative normali, il che le rende una scelta eccellente per l'uso in applicazioni che vanno dai motori ad alta velocità ai sistemi aerospaziali. La loro resistenza, il loro modulo e la loro stabilità dimensionale le rendono ideali anche per la creazione di parti composite.

Le fibre di silice continue possono essere prodotte attraverso vari processi, simili a quelli di altre ceramiche. Un processo comune prevede la reazione di silano a basso contenuto molecolare con agenti organici di densificazione per formare policarbosilani contenenti AL e Y, che possono poi essere filati in filamenti per un'ulteriore lavorazione in fibre di carburo di silicio resistenti alle alte temperature.

Produzione

Il carburo di silicio si presenta sotto forma di diversi polimorfi, come alfa e beta, ciascuno con una propria struttura cristallina. I prodotti a base di carburo di silicio sono disponibili in commercio sotto forma di polveri, particolati, fibre, baffi e rivestimenti, a seconda della forma desiderata e dell'applicazione; inoltre, possono essere integrati anche come prodotti monolitici (senza fibre).

Si prevede che le fibre di carburo di silicio registreranno una rapida crescita a causa dell'elevata domanda da parte dell'industria aerospaziale. Questa domanda è alimentata da componenti leggeri che offrono elevato modulo, resistenza alla trazione, resistenza termica e altri attributi richiesti dalle applicazioni aerospaziali. Le fibre tessute si rivelano inoltre popolari per l'uso in applicazioni ad alta temperatura, come i rivestimenti dei reattori nucleari o i forni metallurgici, creando nuove opportunità in questo segmento di mercato in crescita.

La produzione di fibre di carburo di silicio utilizza diversi processi, ognuno dei quali offre una serie di vantaggi e svantaggi. Ad esempio, il processo Acheson si basa sull'utilizzo di un elettrodo di grafite di grandi dimensioni per mantenere una temperatura uniforme della zona di reazione, producendo polvere di SiC che può poi essere convertita in varie forme, tra cui abrasivi o baffi; tuttavia, questo processo di reazione è suscettibile di contaminazione con impurità di ossigeno e azoto provenienti dai coadiuvanti di sinterizzazione utilizzati durante la lavorazione.

I recenti progressi nella produzione di fibre di carburo di silicio hanno fornito un maggiore controllo sulla loro microstruttura e su altre caratteristiche, tra cui la formazione più rapida di fili di carburo di silicio più resistenti e su misura, che riparano i filamenti di bassa qualità che altrimenti verrebbero scartati. Una tecnica di lavorazione a microonde sviluppata presso il Glenn Research Center della NASA consente questa formazione rapida e può ridurre significativamente i costi di produzione nel tempo. Diversi produttori stanno offrendo questa tecnologia a livello commerciale, il che potrebbe ridurre ulteriormente i costi di produzione nel tempo.

Si prevede che il mercato nordamericano delle fibre di carburo di silicio registrerà una forte crescita nel periodo di previsione, grazie alla rapida espansione del settore aerospaziale, trainata dall'aumento delle spese per la difesa e dagli investimenti nei programmi della NASA. Inoltre, il rapido sviluppo dell'industria automobilistica dovrebbe portare a un aumento della domanda di materiali compositi avanzati, come quelli composti da carburo di silicio.