Carburo di silicio Definizione

Il carburo di silicio (SiC) è un composto cristallino duro, prodotto sinteticamente, ampiamente utilizzato come materiale abrasivo e resistente all'usura, in applicazioni di refrattari e ceramiche, nonché come substrato semiconduttore per i diodi a emissione luminosa (LED).

I semiconduttori EFM hanno superato i tradizionali semiconduttori al silicio anche in ambienti ad alta tensione, come quelli dei dispositivi di alimentazione dei veicoli elettrici (EV), fornendo prestazioni superiori grazie alla riduzione al minimo delle perdite di tensione e di corrente, nonché al rimpicciolimento e all'alleggerimento dei componenti essenziali per la gestione delle batterie, riducendo al contempo dimensioni e peso.

Carburo di silicio

Il carburo di silicio è un composto ceramico inerte composto da silicio e carbonio. Con un grado di durezza Mohs pari a 9, è terzo solo al carburo di boro (9,5) e al diamante (10). Il carburo di silicio ha un'elevata resistenza meccanica pur rimanendo chimicamente inerte, il che lo rende perfetto per le applicazioni di protezione delle superfici dure come le macchine utensili.

I nanotubi di carbonio puri contengono quattro atomi di carbonio disposti in quattro tetraedri di carbonio, legati covalentemente tra loro da legami di silicio. Questa disposizione consente un polimorfismo con varie strutture e fasi cristalline.

La struttura cristallina del SiC ne determina le proprietà elettriche superiori, comprese le caratteristiche di semiconduttore ad ampio band-gap (WBG), essenziali per le applicazioni elettroniche. Un band gap più ampio consente agli elettroni di lasciare l'orbita più velocemente, portando a frequenze più elevate e operazioni più rapide rispetto ai dispositivi convenzionali in silicio.

Come materiale di base, il silicio può essere drogato con azoto, fosforo, gallio, boro e alluminio per produrre semiconduttori di tipo n. Inoltre, i transistor privi di silicio possono ridurre i costi e il consumo di energia di ben 40%.

Il carburo di silicio (SiC) è in grado di funzionare fino a 300° C, il che lo rende un materiale eccellente per le applicazioni in ambienti ad alta temperatura come i motori dei veicoli elettrici. Il SiC può eliminare la necessità di sistemi di raffreddamento attivi che aggiungono peso, costi e complessità, il che si traduce in una maggiore autonomia e in tempi di ricarica più rapidi per questi veicoli.

Semiconduttori

Il carburo di silicio è da tempo riconosciuto per le sue proprietà elettriche uniche che lo rendono molto utile in elettronica. I semiconduttori, che si comportano alternativamente come conduttori (come i cavi elettrici in rame) e come isolanti (l'isolamento polimerico che ricopre tali cavi), costituiscono i materiali semiconduttori utilizzati per costruire circuiti integrati, componenti elettronici discreti come diodi e transistor, che conducono l'elettricità in determinate condizioni; la loro conduttività può anche essere alterata tramite stimolazione con correnti elettriche, campi elettromagnetici o stimolazione luminosa.

Il carburo di silicio si distingue dai semiconduttori tradizionali per il suo bandgap estremamente ampio. Ciò significa che richiede molta più energia per spostare gli elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione; di conseguenza, il carburo di silicio vanta perdite di potenza molto basse - una qualità inestimabile quando viene utilizzato per applicazioni ad alta tensione, come gli inverter per la trazione dei veicoli elettrici.

Il carburo di silicio è stato a lungo utilizzato per vari usi nell'industria e nel mondo accademico, dalle graniglie di sabbiatura e dagli strumenti per la stampa del carborundum alle applicazioni di ingegneria termica, elettrica e meccanica. Recentemente, tuttavia, la domanda è salita alle stelle grazie ai suoi bassi tassi di espansione termica, all'elevato rapporto resistenza/durezza e alla capacità di resistere ad ambienti ostili.

Ceramica

Silicio e carbonio si combinano per produrre un materiale attraente con eccellenti proprietà meccaniche, chimiche e termiche. Vanta un'estrema durezza, pari al doppio di quella del diamante sulla scala di Mohs, e una resistenza agli shock termici superiore rispetto ad altri materiali refrattari.

Per ceramica si intende un materiale inorganico, non metallico, che è estremamente flessibile quando non è cotto, ma che si indurisce notevolmente durante i processi di cottura. Le ceramiche coprono diverse categorie; ad esempio:

Le ceramiche sono utilizzate principalmente come refrattari, materiali inorganici che offrono resistenza all'usura termica e chimica e alla corrosione. Le ceramiche sono disponibili in tutti i tipi di forme e colori e sono utilizzate in tutti i settori industriali. Tra gli usi importanti delle bioceramiche vi sono la protezione antincendio, i superconduttori e l'induzione di risposte biologiche da parte delle cellule. Le ceramiche bioattive possono essere intrinsecamente bioattive o possono essere rese tali attraverso trattamenti superficiali o riempiendo i pori della ceramica con sostanze farmaceuticamente attive. Il carburo di silicio è ampiamente utilizzato per i dischi dei freni delle automobili, che riducono in modo significativo l'attrito e le emissioni, resistendo alle alte temperature senza bisogno di sistemi di raffreddamento attivi che aggiungono peso, complessità e costi. Inoltre, è alla base di molti abrasivi e utensili da taglio.

Automotive

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale estremamente duro, classificato al nono posto della scala Mohs, tra l'allumina (9) e il diamante (10). Il carburo di silicio è stato sintetizzato artificialmente per la prima volta dall'inventore americano Edward Acheson nel 1891, nel tentativo di produrre diamanti artificiali, ma ha scoperto piccoli cristalli neri di SiC nella sua fusione riscaldata elettricamente di carbonio e allumina, che sono stati macinati in polvere per gli abrasivi industriali. Il chimico premio Nobel Henri Moissan osservò il composto in natura come minerale trasparente chiamato moissanite nel 1905.

La struttura atomica unica del carburo di silicio e le sue proprietà di semiconduttore lo rendono ideale per applicazioni elettroniche come diodi, transistor e dispositivi di potenza. La sua resistenza alla tensione è dieci volte superiore a quella del silicio tradizionale e le sue prestazioni sono ancora migliori in sistemi che superano i 1000V, rendendolo il materiale ideale per soddisfare le esigenze di alta tensione associate alle stazioni di ricarica dei veicoli elettrici (EV) e ai sistemi di gestione dell'energia.

Il SiC può migliorare in modo significativo l'efficienza di commutazione, contribuendo al contempo a ridurre le dimensioni e il peso dei componenti essenziali dei veicoli elettrici, come i convertitori CC-CC, i caricabatterie di bordo e i sistemi di gestione delle batterie. Questi progressi potrebbero avvicinare la guida senza emissioni all'adozione di massa. L'analisi di GlobalData identifica oltre 10 aziende - da fornitori di tecnologia e aziende automobilistiche affermate a start-up emergenti - che utilizzano il carburo di silicio per soluzioni innovative.