Carburo di silicio - Silicon carbide

Carburo di silicio
Campione di carburo di silicio come boule
nomi
Nome IUPAC preferito
Carburo di silicio
Altri nomi
Carborundum
Moissanite
Identificatori
Modello 3D ( JSmol )
CheBI
ChemSpider
Scheda informativa dell'ECHA 1000.006.357 Modificalo su Wikidata
Numero CE
13642
Maglia Silicio+carburo
Numero RTECS
UNII
  • InChI=1S/CSi/c1-2 dai un'occhiata
    Legenda: HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N dai un'occhiata
  • Legenda: HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYAF
  • InChI=1/CSi/c1-2
  • [C-]#[Si+]
Proprietà
C Si
Massa molare 40.096  g·mol −1
Aspetto esteriore Cristalli iridescenti dal giallo al verde al nero bluastro
Densità 3,16 g⋅cm -3 (esadecimale)
Punto di fusione 2.830 °C (5.130 °F; 3.100 K) (si decompone)
solubilità Insolubile in acqua, solubile in alcali fusi e ferro fuso
Mobilità elettronica ~900 cm 2 /(V⋅s) (tutti i politipi)
−12,8 × 10 −6  cm 3 /mol
2.55 (infrarossi; tutti i politipi)
Pericoli
Non elencato
NFPA 704 (diamante di fuoco)
1
0
0
NIOSH (limiti di esposizione per la salute negli Stati Uniti):
PEL (consentito)
8 ore 15 mg/m 3 (totale) 8 ore 5 mg/m 3 (risp.)
REL (consigliato)
8 ore 10 mg/m 3 (totale) 8 ore 5 mg/m 3 (risp)
IDLH (pericolo immediato)
ns
Salvo indicazione contraria, i dati sono forniti per i materiali nel loro stato standard (a 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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Riferimenti alla casella informativa

Carburo di silicio ( SiC ), noto anche come carborundum ( / ˌ k ɑːr b ə r ʌ n d əm / ), è un semiconduttore contenente silicio e carbonio . Si presenta in natura come il minerale estremamente raro moissanite . La polvere sintetica di SiC è stata prodotta in serie dal 1893 per essere utilizzata come abrasivo . I grani di carburo di silicio possono essere legati insieme mediante sinterizzazione per formare ceramiche molto dure che sono ampiamente utilizzate in applicazioni che richiedono un'elevata resistenza, come freni per auto, frizioni per auto e piastre ceramiche in giubbotti antiproiettile . Le applicazioni elettroniche del carburo di silicio come i diodi emettitori di luce (LED) e i rilevatori nelle prime radio furono dimostrate per la prima volta intorno al 1907. Il SiC viene utilizzato nei dispositivi elettronici a semiconduttore che funzionano ad alte temperature o alte tensioni, o entrambi. Grandi cristalli singoli di carburo di silicio possono essere coltivati ​​con il metodo Lely e possono essere tagliati in gemme note come moissanite sintetica.

Storia

Evento naturale

Cristallo singolo di moissanite (dimensioni ≈1 mm)

La moissanite naturale si trova in quantità minime in alcuni tipi di meteoriti e nei depositi di corindone e kimberlite . Praticamente tutto il carburo di silicio venduto nel mondo, compresi i gioielli di moissanite, è sintetico . La moissanite naturale fu trovata per la prima volta nel 1893 come un piccolo componente del meteorite Canyon Diablo in Arizona dal Dr. Ferdinand Henri Moissan , da cui il materiale prese il nome nel 1905. La scoperta di SiC naturale da parte di Moissan fu inizialmente contestata perché il suo campione potrebbe essere stato contaminato da lame in carburo di silicio che erano già sul mercato in quel momento.

Sebbene raro sulla Terra, il carburo di silicio è notevolmente comune nello spazio. È una forma comune di polvere di stelle che si trova intorno a stelle ricche di carbonio , ed esempi di questa polvere di stelle sono stati trovati in condizioni immacolate in meteoriti primitivi (inalterati). Il carburo di silicio che si trova nello spazio e nei meteoriti è quasi esclusivamente il beta-polimorfo . L'analisi dei grani di SiC trovati nel meteorite di Murchison , un meteorite di condrite carboniosa , ha rivelato rapporti isotopici anomali di carbonio e silicio, indicando che questi grani hanno avuto origine al di fuori del sistema solare.

Primi esperimenti

Le sintesi non sistematiche, meno riconosciute e spesso non verificate del carburo di silicio includono:

  • César-Mansuète Despretz fa passare una corrente elettrica attraverso un'asta di carbonio annegata nella sabbia (1849)
  • La dissoluzione della silice nell'argento fuso di Robert Sydney Marsden in un crogiolo di grafite (1881)
  • Il riscaldamento di Paul Schuetzenberger di una miscela di silicio e silice in un crogiolo di grafite (1881)
  • Il riscaldamento del silicio di Albert Colson sotto un flusso di etilene (1882).

Produzione su larga scala

Una replica degli esperimenti LED di HJ Round

La produzione su larga scala è attribuita a Edward Goodrich Acheson nel 1890. Acheson stava tentando di preparare diamanti artificiali quando riscaldò una miscela di argilla (silicato di alluminio) e coke in polvere (carbonio) in una ciotola di ferro. Chiamò i cristalli blu che formavano carborundum , credendo che fosse un nuovo composto di carbonio e alluminio, simile al corindone . Moissan ha anche sintetizzato SiC per diverse vie, inclusa la dissoluzione del carbonio nel silicio fuso, la fusione di una miscela di carburo di calcio e silice e la riduzione della silice con carbonio in un forno elettrico.

Acheson brevettò il metodo per produrre polvere di carburo di silicio il 28 febbraio 1893. Acheson sviluppò anche il forno elettrico discontinuo con cui viene prodotto ancora oggi il SiC e formò la Carborundum Company per produrre SiC sfuso, inizialmente per l'uso come abrasivo. Nel 1900 l'azienda si stabilì con la Electric Smelting and Aluminium Company quando la decisione di un giudice diede "priorità ampia" ai suoi fondatori "per ridurre i minerali e altre sostanze con il metodo a incandescenza". Si dice che Acheson stesse cercando di sciogliere il carbonio nel corindone fuso ( allumina ) e scoprì la presenza di cristalli duri, blu-neri, che credeva fossero un composto di carbonio e corindone: da qui il carborundum. Può essere che abbia chiamato il materiale "carborundum" per analogia con il corindone, che è un'altra sostanza molto dura (9 sulla scala di Mohs ).

Il primo utilizzo del SiC è stato come abrasivo. Sono seguite le applicazioni elettroniche. All'inizio del XX secolo, il carburo di silicio è stato utilizzato come rivelatore nelle prime radio. Nel 1907 Henry Joseph Round produsse il primo LED applicando una tensione a un cristallo di SiC e osservando l'emissione gialla, verde e arancione al catodo. L'effetto fu poi riscoperto da OV Losev in Unione Sovietica nel 1923.


Produzione

Cristalli di SiC sintetico ~3 mm di diametro

Poiché la moissanite naturale è estremamente scarsa, la maggior parte del carburo di silicio è sintetica. Il carburo di silicio viene utilizzato come abrasivo, nonché come semiconduttore e simulante di diamanti di qualità gemma. Il processo più semplice per produrre carburo di silicio è combinare sabbia silicea e carbonio in un forno a resistenza elettrica a grafite Acheson ad alta temperatura, tra 1.600 ° C (2.910 ° F) e 2.500 ° C (4.530 ° F). Le particelle fini di SiO 2 nel materiale vegetale (ad es. lolla di riso) possono essere convertite in SiC riscaldando il carbonio in eccesso dal materiale organico. Il fumo di silice , che è un sottoprodotto della produzione di silicio metallico e leghe di ferrosilicio, può anche essere convertito in SiC mediante riscaldamento con grafite a 1.500 °C (2.730 °F).

Il materiale formato nel forno Acheson varia in purezza, a seconda della sua distanza dalla fonte di calore del resistore di grafite . I cristalli incolori, giallo pallido e verde hanno la massima purezza e si trovano più vicini al resistore. Il colore cambia in blu e nero a una distanza maggiore dal resistore e questi cristalli più scuri sono meno puri. L'azoto e l'alluminio sono impurità comuni e influiscono sulla conduttività elettrica del SiC.

Cristalli sintetici di SiC Lely

Carburo di silicio puro può essere fatta dal processo Lely , in cui polvere di SiC si sublima in specie ad alta temperatura di silicio, carbonio, dicarbide silicio (SiC 2 ), e disilicon carburo (Si 2 C) in argon ambiente gas a 2500 ° C e ridepositato in monocristalli simili a scaglie, di dimensioni fino a 2 × 2 cm, a un substrato leggermente più freddo. Questo processo produce cristalli singoli di alta qualità, principalmente di fase 6H-SiC (a causa dell'elevata temperatura di crescita).

Un processo Lely modificato che prevede il riscaldamento a induzione nei crogioli di grafite produce cristalli singoli ancora più grandi di 4 pollici (10 cm) di diametro, con una sezione 81 volte più grande rispetto al processo Lely convenzionale.

Il SiC cubico viene solitamente coltivato mediante il processo più costoso di deposizione chimica in fase vapore (CVD) di silano, idrogeno e azoto. Gli strati di SiC omoepitassiali ed eteroepitassiali possono essere coltivati ​​impiegando approcci in fase sia gassosa che liquida.

Per formare SiC di forma complessa, i polimeri preceramici possono essere utilizzati come precursori che formano il prodotto ceramico attraverso la pirolisi a temperature nell'intervallo 1000-1100 ° C. I materiali precursori per ottenere carburo di silicio in tal modo includono policarbosilani, poli(metilsiline) e polisilazani. I materiali in carburo di silicio ottenuti attraverso la pirolisi di polimeri preceramici sono noti come ceramiche derivate da polimeri o PDC. La pirolisi dei polimeri preceramici viene spesso condotta in atmosfera inerte a temperature relativamente basse. Relativamente al processo CVD, il metodo di pirolisi è vantaggioso perché il polimero può essere formato in varie forme prima della termalizzazione nella ceramica.

SiC può anche essere trasformato in wafer tagliando un singolo cristallo utilizzando una sega a filo diamantato o utilizzando un laser. Il SiC è un utile semiconduttore utilizzato nell'elettronica di potenza.

Struttura e proprietà

Struttura dei principali politipi di SiC.
SiC3Cstructure.jpg
SiC4Hstruttura.jpg
SiC6Hstruttura.jpg
(β)3C-SiC 4H-SiC (α)6H-SiC
Carburo di silicio, immagine ripresa al microscopio stereoscopico.

Il carburo di silicio esiste in circa 250 forme cristalline. Attraverso la pirolisi in atmosfera inerte di polimeri preceramici si produce anche carburo di silicio in forma vetrosa amorfa. Il polimorfismo del SiC è caratterizzato da una grande famiglia di strutture cristalline simili chiamate politipi. Sono variazioni dello stesso composto chimico che sono identiche in due dimensioni e differiscono nella terza. Pertanto, possono essere visualizzati come livelli impilati in una determinata sequenza.

Il carburo di silicio alfa (α-SiC) è il polimorfo più comunemente riscontrato , si forma a temperature superiori a 1700 °C e ha una struttura cristallina esagonale (simile alla Wurtzite ). La modifica beta (β-SiC), con una struttura cristallina di blenda di zinco (simile al diamante ), si forma a temperature inferiori a 1700 °C. Fino a poco tempo, la forma beta ha avuto relativamente pochi usi commerciali, anche se ora c'è un crescente interesse per il suo uso come supporto per catalizzatori eterogenei, a causa della sua superficie maggiore rispetto alla forma alfa.

Proprietà dei principali politipi di SiC
politipo 3C (β) 4H 6H (α)
Struttura di cristallo Miscela di zinco (cubica) Esagonale Esagonale
Gruppo spaziale T 2 d -F 4 3m C 4 6v -P6 3 mc C 4 6v -P6 3 mc
Simbolo Pearson cF8 hP8 hP12
Costanti reticolari (Å) 4.3596 3.0730; 10.053 3.0810; 15.12
Densità (g/cm 3 ) 3.21 3.21 3.21
Bandgap (eV) 2.36 3.23 3.05
Modulo di massa (GPa) 250 220 220
Conducibilità termica (W⋅m −1 ⋅K −1 )

@ 300 K (vedi per la dipendenza dalla temperatura)

360 370 490

Il SiC puro è incolore. Il colore da marrone a nero del prodotto industriale deriva da impurità di ferro . La lucentezza arcobaleno dei cristalli è dovuta all'interferenza del film sottile di uno strato di passivazione di biossido di silicio che si forma sulla superficie.

L'elevata temperatura di sublimazione del SiC (circa 2700 °C) lo rende utile per cuscinetti e parti di forni. Il carburo di silicio non fonde a nessuna temperatura nota. È anche chimicamente altamente inerte. Attualmente c'è molto interesse per il suo utilizzo come materiale semiconduttore nell'elettronica, dove la sua elevata conduttività termica, l'elevata intensità di rottura del campo elettrico e l'elevata densità di corrente massima lo rendono più promettente del silicio per dispositivi ad alta potenza. Il SiC ha anche un coefficiente di espansione termica molto basso (4,0 × 10 −6 /K) e non presenta transizioni di fase che potrebbero causare discontinuità nell'espansione termica.

Conduttività elettrica

Il carburo di silicio è un semiconduttore , che può essere drogato di tipo n con azoto o fosforo e di tipo p con berillio , boro , alluminio o gallio . La conducibilità metallica è stata ottenuta mediante drogaggio pesante con boro, alluminio o azoto.

La superconduttività è stata rilevata in 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B e 6H-SiC:B alla stessa temperatura di 1,5 K. Si osserva tuttavia una differenza cruciale per il comportamento del campo magnetico tra drogaggio di alluminio e boro: SiC:Al è di tipo II , come SiC:B. Al contrario, SiC:B è di tipo I . Nel tentativo di spiegare questa differenza, è stato notato che i siti di Si sono più importanti dei siti di carbonio per la superconduttività in SiC. Mentre il boro sostituisce il carbonio in SiC, Al sostituisce i siti di Si. Pertanto, Al e B "vedono" ambienti diversi che potrebbero spiegare proprietà diverse di SiC:Al e SiC:B.

Usi

Abrasivi e utensili da taglio

Dischi da taglio in SiC

Nelle arti, il carburo di silicio è un abrasivo popolare nei moderni lapidari a causa della durata e del basso costo del materiale. Nella produzione, viene utilizzato per la sua durezza in processi di lavorazione abrasivi come molatura , levigatura , taglio a getto d'acqua e sabbiatura . Particelle di carburo di silicio vengono laminate su carta per creare carte vetrate e il nastro adesivo sugli skateboard .

Nel 1982 fu scoperto un composto eccezionalmente forte di ossido di alluminio e baffi di carburo di silicio . Lo sviluppo di questo composito prodotto in laboratorio in un prodotto commerciale ha richiesto solo tre anni. Nel 1985 furono introdotti sul mercato i primi utensili da taglio commerciali realizzati con questo composto rinforzato con baffi di allumina e carburo di silicio.

Materiale strutturale

Il carburo di silicio viene utilizzato per le placche traumatiche dei giubbotti balistici

Negli anni '80 e '90, il carburo di silicio è stato studiato in diversi programmi di ricerca per turbine a gas ad alta temperatura in Europa , Giappone e Stati Uniti . I componenti erano destinati a sostituire le pale delle turbine in superlega di nichel o le palette degli ugelli. Tuttavia, nessuno di questi progetti ha portato a una quantità di produzione, principalmente a causa della sua bassa resistenza all'urto e della sua bassa tenacità alla frattura .

Come altre ceramiche dure (vale a dire allumina e carburo di boro ), il carburo di silicio viene utilizzato nelle armature composite (ad esempio le armature Chobham ) e nelle piastre ceramiche nei giubbotti antiproiettile. Dragon Skin , prodotto da Pinnacle Armor , utilizzava dischi di carburo di silicio. La migliore tenacità alla frattura nell'armatura di SiC può essere facilitata dal fenomeno della crescita anormale del grano o AGG. La crescita di grani di carburo di silicio anormalmente lunghi può servire a conferire un effetto di indurimento attraverso il ponte sulla scia di crepe, simile al rinforzo dei baffi. Simili effetti di indurimento dell'AGG sono stati riportati nel nitruro di silicio (Si 3 N 4 ).

Il carburo di silicio viene utilizzato come supporto e materiale di scaffalatura in forni ad alta temperatura come per la cottura di ceramica, vetrofusione o colata di vetro. I ripiani dei forni SiC sono considerevolmente più leggeri e durevoli rispetto ai tradizionali ripiani in allumina.

Nel dicembre 2015, l'infusione di nanoparticelle di carburo di silicio in magnesio fuso è stata menzionata come un modo per produrre una nuova lega resistente e plastica adatta per l'uso in aeronautica, aerospaziale, automobilistica e microelettronica.

Parti di automobili

Il freno a disco carboceramico (carburo di silicio) della Porsche Carrera GT

Il composito carbonio-carbonio infiltrato di silicio viene utilizzato per dischi freno "ceramici" ad alte prestazioni , poiché sono in grado di resistere a temperature estreme. Il silicio reagisce con la grafite nel composito carbonio-carbonio per diventare carburo di silicio rinforzato con fibra di carbonio (C/SiC). Questi dischi freno sono utilizzati su alcune auto sportive stradali, supercar, così come altre auto ad alte prestazioni tra cui la Porsche Carrera GT , la Bugatti Veyron , la Chevrolet Corvette ZR1 , la McLaren P1 , Bentley , Ferrari , Lamborghini e alcune specifiche ad alta auto ad alte prestazioni Audi . Il carburo di silicio è utilizzato anche in forma sinterizzata per i filtri antiparticolato diesel . Viene anche utilizzato come additivo per olio per ridurre l'attrito, le emissioni e le armoniche.

Crogioli per fonderia

Il SiC viene utilizzato nei crogioli per trattenere il metallo fuso in applicazioni di fonderia di piccole e grandi dimensioni.

Impianti elettrici

La prima applicazione elettrica del SiC è stata negli scaricatori di fulmini nei sistemi di alimentazione elettrica. Questi dispositivi devono esibire un'elevata resistenza fino a quando la tensione ai loro capi non raggiunge una certa soglia V T a quel punto la loro resistenza deve scendere a un livello inferiore e mantenere questo livello fino a quando la tensione applicata non scende al di sotto di V T .

È stato riconosciuto all'inizio che il SiC aveva una tale resistenza dipendente dalla tensione, e quindi colonne di pellet di SiC erano collegate tra le linee elettriche ad alta tensione e la terra. Quando un fulmine sulla linea aumenta sufficientemente la tensione di linea, la colonna SiC condurrà, consentendo alla corrente di scarica di passare innocuamente a terra invece che lungo la linea elettrica. Le colonne SiC hanno dimostrato di condurre in modo significativo alle normali tensioni di esercizio della linea elettrica e quindi hanno dovuto essere poste in serie con uno spinterometro . Questo spinterometro viene ionizzato e reso conduttivo quando il fulmine aumenta la tensione del conduttore della linea di alimentazione, collegando così efficacemente la colonna SiC tra il conduttore di alimentazione e la terra. Gli spinterometri utilizzati negli scaricatori di fulmini sono inaffidabili, non riescono a innescare un arco quando necessario o non si spengono in seguito, in quest'ultimo caso a causa di guasti del materiale o contaminazione da polvere o sale. L'utilizzo delle colonne SiC era originariamente inteso per eliminare la necessità dello spinterometro negli scaricatori di fulmini. Gli scaricatori in SiC con gap sono stati utilizzati per la protezione contro i fulmini e venduti con i marchi GE e Westinghouse , tra gli altri. Lo scaricatore in SiC con gap è stato ampiamente sostituito da varistori no-gap che utilizzano colonne di pellet di ossido di zinco .

Elementi del circuito elettronico

Il carburo di silicio è stato il primo materiale semiconduttore commercialmente importante. Un diodo rivelatore radio a cristallo "carborundum" (carburo di silicio sintetico) è stato brevettato da Henry Harrison Chase Dunwoody nel 1906. Ha trovato un uso molto precoce nei ricevitori di bordo.

Dispositivi elettronici di potenza

Il carburo di silicio è un semiconduttore nella ricerca e nella prima produzione di massa che offre vantaggi per dispositivi veloci, ad alta temperatura e/o ad alta tensione. I primi dispositivi disponibili erano i diodi Schottky , seguiti da FET e MOSFET a gate di giunzione per la commutazione ad alta potenza. Attualmente sono in fase di sviluppo transistor bipolari e tiristori .

Un problema importante per la commercializzazione del SiC è stata l'eliminazione dei difetti: dislocazioni ai bordi, dislocazioni a vite (sia a nucleo cavo che chiuso), difetti triangolari e dislocazioni sul piano basale. Di conseguenza, i dispositivi realizzati con cristalli di SiC inizialmente hanno mostrato scarse prestazioni di blocco inverso, sebbene i ricercatori abbiano cercato soluzioni per migliorare le prestazioni di rottura. Oltre alla qualità del cristallo, i problemi con l'interfaccia del SiC con il biossido di silicio hanno ostacolato lo sviluppo di MOSFET di potenza basati su SiC e transistor bipolari a gate isolato . Sebbene il meccanismo non sia ancora chiaro, la nitrurazione ha ridotto drasticamente i difetti che causano problemi di interfaccia.

Nel 2008 sono stati introdotti sul mercato i primi JFET commerciali classificati a 1200 V, seguiti nel 2011 dai primi MOSFET commerciali classificati a 1200 V. I JFET sono ora disponibili classificati da 650 V a 1700 V con resistenza a partire da 25 mΩ. Oltre agli interruttori SiC e ai diodi Schottky SiC (anche diodo a barriera Schottky, SBD ) nei popolari contenitori TO-247 e TO-220 , le aziende hanno iniziato anche prima a implementare i chip nudi nei loro moduli elettronici di potenza .

I diodi SiC SBD hanno trovato ampia diffusione sul mercato essendo utilizzati nei circuiti PFC e nei moduli di potenza IGBT . Conferenze come la Conferenza internazionale sui sistemi integrati di elettronica di potenza (CIPS) riferiscono regolarmente sui progressi tecnologici dei dispositivi di potenza SiC. Le principali sfide per liberare completamente le capacità dei dispositivi di potenza SiC sono:

  • Azionamento del gate: i dispositivi SiC richiedono spesso livelli di tensione dell'azionamento del gate che sono diversi dalle loro controparti in silicio e possono essere anche asimmetrici, ad esempio +20 V e -5 V.
  • Imballaggio: i chip SiC possono avere una densità di potenza maggiore rispetto ai dispositivi di alimentazione al silicio e sono in grado di gestire temperature più elevate che superano il limite del silicio di 150 °C. Sono necessarie nuove tecnologie di die attach, come la sinterizzazione, per estrarre efficacemente il calore dai dispositivi e garantire un'interconnessione affidabile.
LED ultravioletti

LED

Il fenomeno dell'elettroluminescenza fu scoperto nel 1907 utilizzando il carburo di silicio e i primi LED commerciali erano basati sul SiC. I LED gialli in 3C-SiC sono stati prodotti in Unione Sovietica negli anni '70 e i LED blu (6H-SiC) in tutto il mondo negli anni '80.

La produzione di LED si è presto interrotta quando un materiale diverso, il nitruro di gallio , ha mostrato un'emissione 10-100 volte più luminosa. Questa differenza di efficienza è dovuta allo sfavorevole bandgap indiretto del SiC, mentre il GaN ha un bandgap diretto che favorisce l'emissione di luce. Tuttavia, il SiC è ancora uno dei componenti LED importanti: è un substrato popolare per la crescita di dispositivi GaN e funge anche da diffusore di calore nei LED ad alta potenza.

Astronomia

Il basso coefficiente di espansione termica, l'elevata durezza, rigidità e conduttività termica rendono il carburo di silicio un materiale per specchi desiderabile per i telescopi astronomici . La tecnologia di crescita ( deposizione chimica da vapore ) è stata ampliata per produrre dischi di carburo di silicio policristallino fino a 3,5 m (11 piedi) di diametro e diversi telescopi come l' Herschel Space Telescope sono già dotati di ottica SiC, così come lo spazio Gaia I sottosistemi dei veicoli spaziali dell'osservatorio sono montati su un telaio rigido in carburo di silicio, che fornisce una struttura stabile che non si espanderà o si contrarrà a causa del calore.

Pirometria a filamento sottile

Fiamma di prova e fibre di SiC incandescente. La fiamma è alta circa 7 cm (2,8 pollici).

Le fibre di carburo di silicio vengono utilizzate per misurare la temperatura del gas in una tecnica ottica chiamata pirometria a filamento sottile. Implica il posizionamento di un filamento sottile in un flusso di gas caldo. Le emissioni radiative dal filamento possono essere correlate alla temperatura del filamento. I filamenti sono fibre di SiC con un diametro di 15 micrometri, circa un quinto di quello di un capello umano. Poiché le fibre sono così sottili, fanno poco per disturbare la fiamma e la loro temperatura rimane vicina a quella del gas locale. Si possono misurare temperature di circa 800–2500 K.

Elementi riscaldanti

I riferimenti agli elementi riscaldanti in carburo di silicio esistono dall'inizio del XX secolo, quando furono prodotti da Acheson's Carborundum Co. negli Stati Uniti e da EKL a Berlino. Il carburo di silicio offriva temperature di esercizio maggiori rispetto ai riscaldatori metallici. Gli elementi in carburo di silicio sono oggi utilizzati nella fusione del vetro e dei metalli non ferrosi, nel trattamento termico dei metalli, nella produzione di vetro float , nella produzione di componenti ceramici ed elettronici, negli accenditori nelle fiamme pilota per riscaldatori a gas, ecc.

Particelle di combustibile nucleare e rivestimento

Il carburo di silicio è un materiale importante nelle particelle di combustibile rivestite con TRISO, il tipo di combustibile nucleare che si trova nei reattori raffreddati a gas ad alta temperatura come il reattore a letto di ghiaia . Uno strato di carburo di silicio fornisce supporto strutturale alle particelle di combustibile rivestite ed è la principale barriera di diffusione al rilascio di prodotti di fissione.

Il materiale composito al carburo di silicio è stato studiato per l'uso in sostituzione del rivestimento in Zircaloy nei reattori ad acqua leggera . Uno dei motivi di questa indagine è che Zircaloy subisce l'infragilimento da idrogeno come conseguenza della reazione di corrosione con l'acqua. Ciò produce una riduzione della tenacità alla frattura con l'aumento della frazione volumetrica di idruri radiali. Questo fenomeno aumenta drasticamente con l'aumentare della temperatura a discapito del materiale. Il rivestimento in carburo di silicio non subisce la stessa degradazione meccanica, ma mantiene invece le proprietà di resistenza con l'aumento della temperatura. Il composito è costituito da fibre di SiC avvolte attorno a uno strato interno di SiC e circondate da uno strato esterno di SiC. Sono stati segnalati problemi con la capacità di unire i pezzi del composito SiC.

Gioielleria

Un anello di fidanzamento in moissanite

Come pietra preziosa utilizzata in gioielleria , il carburo di silicio è chiamato "moissanite sintetica" o semplicemente "moissanite" dopo il nome del minerale. La moissanite è simile al diamante sotto diversi aspetti importanti: è trasparente e dura (9–9,5 sulla scala Mohs , rispetto a 10 per il diamante), con un indice di rifrazione compreso tra 2,65 e 2,69 (rispetto a 2,42 per il diamante). La moissanite è un po' più dura della comune zirconia cubica . A differenza del diamante, la moissanite può essere fortemente birifrangente . Per questo motivo i gioielli in moissanite sono tagliati lungo l' asse ottico del cristallo per ridurre al minimo gli effetti di birifrangenza. È più leggero (densità 3,21 g/cm 3 contro 3,53 g/cm 3 ), e molto più resistente al calore del diamante. Ciò si traduce in una pietra di maggiore lucentezza , sfaccettature più nitide e una buona resilienza. Le pietre sciolte di moissanite possono essere posizionate direttamente negli stampi per anelli di cera per la fusione a cera persa, così come il diamante, poiché la moissanite rimane intatta da temperature fino a 1.800 °C (3.270 °F). La moissanite è diventata popolare come sostituto del diamante e può essere erroneamente identificata come diamante, poiché la sua conduttività termica è più vicina al diamante rispetto a qualsiasi altro sostituto. Molti dispositivi per il test termico del diamante non sono in grado di distinguere la moissanite dal diamante, ma la gemma è distinta nella sua birifrangenza e in una leggerissima fluorescenza verde o gialla sotto la luce ultravioletta. Alcune pietre di moissanite hanno anche inclusioni curve, simili a fili, che i diamanti non hanno mai.

Produzione di acciaio

Pezzo di carburo di silicio utilizzato nella produzione di acciaio

Il carburo di silicio, disciolto in un forno ad ossigeno basico utilizzato per la fabbricazione dell'acciaio , funge da combustibile . L'energia aggiuntiva liberata consente al forno di trattare più rottami con la stessa carica di metallo caldo. Può essere utilizzato anche per aumentare la temperatura dei rubinetti e regolare il contenuto di carbonio e silicio. Il carburo di silicio è più economico di una combinazione di ferrosilicio e carbonio, produce acciaio più pulito e riduce le emissioni a causa dei bassi livelli di oligoelementi , ha un basso contenuto di gas e non abbassa la temperatura dell'acciaio.

Supporto catalizzatore

La naturale resistenza all'ossidazione esibita dal carburo di silicio, così come la scoperta di nuovi modi per sintetizzare la forma cubica β-SiC, con la sua maggiore area superficiale, ha portato ad un notevole interesse nel suo utilizzo come supporto catalizzatore eterogeneo . Questa forma è già stata impiegata come supporto catalizzatore per l'ossidazione di idrocarburi , come n- butano , ad anidride maleica .

Incisione al carborundum

Il carburo di silicio viene utilizzato nella stampa al carborundum , una tecnica di stampa collagrafica . La grana di carborundum viene applicata in pasta sulla superficie di una lastra di alluminio. Quando la pasta è asciutta, l'inchiostro viene applicato e intrappolato nella sua superficie granulare, quindi rimosso dalle aree nude della lastra. La lastra di inchiostro viene quindi stampata su carta in una pressa a letto rotante utilizzata per la stampa calcografica . Il risultato è una stampa di segni dipinti impressi sulla carta.

La grana di carborundum viene utilizzata anche nella litografia su pietra. La sua granulometria uniforme gli consente di essere utilizzato per "Grain" una pietra che rimuove l'immagine precedente. In un processo simile alla levigatura, sulla pietra viene applicato il Carborundum a grana più grossa e lavorato con un Levigator, quindi viene applicata gradualmente una grana sempre più fine fino a quando la pietra non è pulita. Questo crea una superficie sensibile al grasso.

Produzione di grafene

Il carburo di silicio può essere utilizzato nella produzione di grafene grazie alle sue proprietà chimiche che promuovono la produzione epitassiale di grafene sulla superficie delle nanostrutture di SiC.

Quando si tratta della sua produzione, il silicio viene utilizzato principalmente come substrato per far crescere il grafene. Ma in realtà ci sono diversi metodi che possono essere usati per far crescere il grafene sul carburo di silicio. Il metodo di crescita a sublimazione controllata confinamento (CCS) consiste in un chip SiC che viene riscaldato sotto vuoto con grafite. Quindi il vuoto viene rilasciato molto gradualmente per controllare la crescita del grafene. Questo metodo produce strati di grafene di altissima qualità. Ma è stato segnalato che anche altri metodi producono lo stesso prodotto.

Un altro modo per far crescere il grafene sarebbe la decomposizione termica del SiC ad alta temperatura all'interno del vuoto. Ma questo metodo risulta produrre strati di grafene che contengono grani più piccoli all'interno degli strati. Quindi ci sono stati sforzi per migliorare la qualità e la resa del grafene. Uno di questi metodi consiste nell'eseguire la grafitizzazione ex situ di SiC terminato con silicio in un'atmosfera costituita da argon. Questo metodo ha dimostrato di produrre strati di grafene con dimensioni di dominio maggiori rispetto allo strato che sarebbe ottenibile con altri metodi. Questo nuovo metodo può essere molto praticabile per produrre grafene di qualità superiore per una moltitudine di applicazioni tecnologiche.

Quando si tratta di capire come o quando utilizzare questi metodi di produzione di grafene, la maggior parte di loro produce o coltiva principalmente questo grafene sul SiC all'interno di un ambiente che ne consenta la crescita. Viene utilizzato più spesso a temperature piuttosto elevate (come 1300°C) a causa delle proprietà termiche del SiC. Tuttavia, sono state eseguite e studiate alcune procedure che potrebbero potenzialmente produrre metodi che utilizzano temperature più basse per aiutare a produrre grafene. Più specificamente, è stato osservato che questo diverso approccio alla crescita del grafene produce grafene in un ambiente con una temperatura di circa 750°C. Questo metodo comporta la combinazione di alcuni metodi come la deposizione chimica da fase vapore (CVD) e la segregazione superficiale. E quando si tratta del substrato, la procedura consisterebbe nel rivestire un substrato di SiC con film sottili di un metallo di transizione. E dopo il rapido trattamento termico di questa sostanza, gli atomi di carbonio diventerebbero quindi più abbondanti all'interfaccia superficiale del film di metallo di transizione che produrrebbe quindi grafene. E si è scoperto che questo processo produce strati di grafene più continui su tutta la superficie del substrato.

Fisica quantistica

Il carburo di silicio può ospitare difetti puntuali nel reticolo cristallino noti come centri di colore. Questi difetti possono produrre singoli fotoni su richiesta e quindi servire come piattaforma per la sorgente di singoli fotoni . Un tale dispositivo è una risorsa fondamentale per molte applicazioni emergenti della scienza dell'informazione quantistica. Se si pompa un centro di colore tramite una sorgente ottica esterna o corrente elettrica, il centro di colore verrà portato allo stato eccitato e quindi si rilasserà con l'emissione di un fotone.

Un ben noto difetto puntuale nel carburo di silicio è la divanza che ha una struttura elettronica simile al centro di vacanza dell'azoto nel diamante. In 4H-SiC, la vacanza ha quattro diverse configurazioni che corrispondono a quattro linee a zero fononi (ZPL). Questi valori ZPL sono scritti utilizzando la notazione V Si -V C e l'unità eV: hh(1.095), kk(1.096), kh(1.119) e hk(1.150).

Guide per canne da pesca

Il carburo di silicio viene utilizzato nella produzione di guide da pesca per la sua durata e resistenza all'usura. Gli anelli in carburo di silicio sono inseriti in un telaio di guida, tipicamente realizzato in acciaio inossidabile o titanio, che impedisce al filo di toccare il grezzo della canna. Gli anelli forniscono una superficie a basso attrito che migliora la distanza di lancio fornendo un'adeguata durezza che impedisce l'abrasione della lenza intrecciata.

Guarda anche

Riferimenti

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