Come produrre polveri di carburo di silicio

Il carburo di silicio, più comunemente chiamato carborundum, è duro come il diamante e altamente resistente all'usura. Inoltre, le sue proprietà ceramiche lo rendono adatto ad ambienti ad alta temperatura e tensione.

Il processo di produzione Lely produce una polvere che può essere tagliata in gemme di moissanite per essere utilizzata come pietra preziosa, mentre i produttori la impiegano anche per la produzione di articoli abrasivi e prodotti che richiedono durezza.

Fonti

Il carburo di silicio (SiC), noto anche come carborundum /krbnm/, è un composto estremamente duro di silicio e carbonio che si forma naturalmente come moissanite e viene prodotto in massa come abrasivo dalla fine del XIX secolo. Legando il SiC in una ceramica dura o drogandolo con azoto, fosforo, berillio o alluminio, si possono formare semiconduttori di tipo n o p.

Il SiC industriale è prodotto tipicamente attraverso il processo Acheson, che consiste nel riscaldare la sabbia di silice con fonti di carbonio come il coke di petrolio ad alte temperature in un forno aperto, ottenendo grani di colore verde o nero a seconda del livello di purezza.

Il SiC è noto per la sua superiore conducibilità termica e resistenza alla corrosione. Grazie al basso coefficiente di espansione termica, all'elevato rapporto resistenza/durezza, alla stabilità chimica e alla facilità di lavorazione, è una materia prima fondamentale per molte applicazioni industriali come refrattari/abrasivi/ceramiche di alta qualità [16].

Elaborazione

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale ceramico tecnico con proprietà uniche, tra cui l'inerzia chimica a tutte le temperature, la resistenza agli shock termici e l'elevata sinterizzabilità. Il SiC è utilizzato in varie applicazioni di ceramica tecnica, tra cui la produzione di mobili per forni e attrezzature per la movimentazione dei fluidi, nonché di cuscinetti e parti soggette a usura. Altri impieghi del SiC sono i filtri antiparticolato diesel e la protezione balistica. Washington Mills offre impianti di frantumazione, macinazione e classificazione in grado di produrre materie prime conformi agli standard ANSI, FEPA e JIS.

Le polveri di SiC possono variare in termini di granulometria a seconda dello stato iniziale e della fonte di carbonio. Un processo di preparazione molto diffuso per la sintesi del SiC è la riduzione termico-carbonica, che prevede la reazione di una miscela contenente una mole di SiO2 inferiore a 200 mech con 1,5-3 moli di fonte di carbonio; la lisciviazione acida, il riscaldamento e la reazione della soluzione risultante eliminano la produzione di carbonio vetroso.

Le polveri di SiC prodotte attraverso l'analisi quantitativa XRD vengono analizzate ulteriormente utilizzando la forma delle particelle, la composizione granulometrica e l'analisi della superficie specifica. Le caratteristiche importanti includono la forma delle particelle, la composizione granulometrica e la superficie specifica. Le particelle di SiC presentano tipicamente strutture piatte e scheggiose con sottostrutture difettose caratterizzate da reticoli di dislocazioni sui loro bordi - una caratteristica indesiderabile che potrebbe avere un impatto negativo sui processi di sinterizzazione.

Caratteristiche

Il carburo di silicio offre molte caratteristiche uniche che ne consentono l'applicazione in diversi settori industriali. In particolare, è estremamente duro, con un grado di durezza Mohs pari a 9. Inoltre, questo materiale è chimicamente inerte e offre un'ottima resistenza all'abrasione, al calore fino a temperature elevate, ha una buona resistenza alla trazione e un basso coefficiente di espansione termica - qualità che si sommano per rendere il carburo di silicio adatto a molti usi industriali.

I processi di produzione del carburo di silicio hanno un effetto immenso sulle sue proprietà e sul suo utilizzo. Edward Goodrich Acheson ha sviluppato il processo Acheson, che prevede il riscaldamento di una miscela di sabbia di quarzo, coke di petrolio e trucioli di legno a temperature estremamente elevate per provocare reazioni chimiche che producono cristalli di carburo di silicio; questi cristalli possono poi essere frantumati in polvere o fusi in lingotti per la vendita.

Questa polvere abrasiva è comunemente impiegata nell'industria aerospaziale e automobilistica per la levigatura e la lappatura di parti per ottenere dimensioni precise e finiture lisce, mentre trova impiego anche nella ceramica, nella produzione di vetro e nella produzione di acciaio e altri metalli. Alter Technology ha creato un circuito radio utilizzando questo materiale in grado di resistere alle condizioni estreme dello spazio.

Applicazioni

La ceramica di carburo di silicio è un eccezionale materiale non ossidabile con varie applicazioni grazie alla sua durezza (durezza Mohs > 9), all'inerzia chimica, al basso coefficiente di espansione termica e alla resistenza sia al calore che agli urti. Il carburo di silicio trova impiego come componente resistente all'usura negli abrasivi o come componente resistente all'usura nei refrattari ceramici, nonché nelle applicazioni elettriche e nei semiconduttori grazie alle sue proprietà di conducibilità termica.

Per produrre SiC, i produttori combinano innanzitutto la silice amorfa con il carbonio ad alte temperature - tipicamente il coke di carbone come fonte di carbonio - prima di macinare finemente e mescolare con piccole quantità di bauxite per formare una preforma. A questo punto avviene il drogaggio con azoto (SiC di tipo n) o con boro, alluminio e gallio (SiC di tipo p), a seconda dell'applicazione desiderata.

I produttori utilizzano poi questa preforma per produrre carburo di silicio cubico attraverso il collegamento per reazione o la deposizione chimica da vapore. Il collegamento per reazione è l'approccio più comunemente utilizzato; comporta il riscaldamento a 1410 °C e il drogaggio con azoto o boro per la produzione di SiC di tipo n. La deposizione chimica da vapore richiede una quantità di energia e di attrezzature significativamente maggiore per il suo processo, mentre il legame per reazione ne richiede molto meno.

La polvere di SiC conduttivo di grado semiconduttore è progettata per soddisfare le esigenze di crescita uniche di vari metodi per la crescita di cristalli singoli di carburo di silicio conduttivo di tipo n di terza generazione. Questo tipo di polvere presenta una distribuzione ottimale delle dimensioni delle particelle con pochi vuoti, offrendo livelli di purezza del prodotto superiori a 6N.