Che cos'è il carburo di silicio?

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1. Introduzione al carburo di silicio

1.1 Che cos'è il carburo di silicio?

La formula chimica del carburo di silicio è SiC, è una sostanza inorganica che viene prodotta attraverso un forno a resistenza. Dalla fusione di tre materie prime come sabbia di quarzo, coke di petrolio (o coke di carbone) e segatura, si ottiene il carburo di silicio. 

carburo di silicio

1.2 La storia dello sviluppo del carburo di silicio

Nel 1891Lo scienziato americano Acheson scoprì per caso un carburo mentre conduceva esperimenti sui diamanti fusi elettricamente in laboratorio. 

Nel 1893Acheson sviluppò il metodo industriale per la fusione del carburo di silicio, comunemente noto come forno di Acheson, che è stato utilizzato da allora. Questo metodo prevede l'utilizzo di un forno a resistenza con un nucleo di carbonio per riscaldare elettricamente una miscela di quarzo (SiO2) e carbonio, con conseguente produzione di carburo di silicio. 

Nel 1905Il carburo di silicio è stato rilevato per la prima volta nei meteoriti. 

2. Le proprietà del carburo di silicio

2.1 Le proprietà fisiche del carburo di silicio

Struttura cristallina

Il carburo di silicio presenta una varietà di strutture cristalline, tra cui esagonale (4H-SiC, 6H-SiC) e cubica (3C-SiC).

Durezza

Il carburo di silicio è noto per la sua eccezionale durezza, pari a 9,5 sulla scala Mohs.

Punto di fusione

Il carburo di silicio ha un punto di fusione molto alto, circa 2.730°C (4.946°F).

Conduttività termica

Il carburo di silicio ha una buona conducibilità termica, che lo rende un efficiente conduttore di calore.

2.2 Le proprietà chimiche del carburo di silicio

Composizione chimica

La formula chimica del carburo di silicio è SiC, con i due elementi base del silicio (Si) e del carbonio (C).

Stabilità chimica

Il carburo di silicio è altamente stabile dal punto di vista chimico, soprattutto in ambienti difficili e ad alte temperature.

Antiossidante

Il carburo di silicio ha un'eccellente resistenza all'ossidazione.

3. Il processo di produzione del carburo di silicio

3.1 Come si produce il carburo di silicio?

Processo Acheson:

Nel 1891, Edward Acheson ha sviluppato il processo Acheson, considerato il primo metodo di produzione del carburo di silicio.

In questo processo, una miscela di silice (sabbia) di elevata purezza e carbonio (solitamente coke di petrolio o antracite) viene riscaldata in un forno a resistenza elettrica ad alte temperature (circa 2000-2500 gradi Celsius).

La reazione porta alla formazione di cristalli di carburo di silicio, che vengono poi frantumati e lavorati nelle forme desiderate.

Riduzione carbotermica:

La riduzione carbotermica consiste nel riscaldare una miscela di silice (SiO2) e carbonio in un forno elettrico.

La reazione chimica può essere rappresentata come SiO2 + 3C → SiC + 2CO.

Questo processo viene tipicamente eseguito a temperature superiori a 2000 gradi Celsius.

3.2 I tipi di carburo di silicio

Esistono due tipi fondamentali di carburo di silicio, carburo di silicio nero, e carburo di silicio verde, entrambi appartenenti all'α- SiC.

Il contenuto di SiC del silicio nero supera circa 95% e presenta una durezza migliore rispetto al carburo di silicio verde. 

Viene utilizzato soprattutto per la lavorazione di materiali con bassa resistenza alla trazione, come vetro, ceramica, pietra, materiali refrattari, ghisa e metalli non ferrosi.

Il carburo di silicio verde contiene oltre 97% SiC e ha buone proprietà autoaffilanti. Viene utilizzato soprattutto per la lavorazione di leghe dure, leghe di titanio e vetro ottico, nonché per la levigatura di manicotti di cilindri e la rettifica di precisione di utensili da taglio in acciaio ad alta velocità.

3.3 I vantaggi del carburo di silicio

Alta durezza * Stabilità alle alte temperature * Resistenza all'usura * Inerzia chimica

Alta conducibilità termica * Conducibilità elettrica * Proprietà abrasive * Alta efficienza di taglio

4. Applicazione del carburo di silicio

L'applicazione dell'abrasivo:

Il carburo di silicio è un carburo sintetizzato artificialmente con formula molecolare SiC. È superato solo dai diamanti per quanto riguarda la durezza Mohs.

Grazie alla sua elevata durezza, il carburo di silicio ha un'alta resistenza all'usura ed è ampiamente utilizzato come materiale abrasivo nelle mole e in altri prodotti abrasivi.

L'applicazione del refrattario:

Il SiC è ampiamente utilizzato come materiale refrattario ad alte prestazioni o come additivo per migliorare le prestazioni dei materiali refrattari, in particolare la resistenza alle scorie e la stabilità agli shock termici, grazie ai suoi vantaggi quali il basso coefficiente di espansione termica, l'elevata conducibilità termica, la resistenza alle alte temperature, la buona resistenza alle scorie e la capacità di formare ossidazione protettiva.

L'applicazione della ceramica funzionale:

I materiali ceramici in carburo di silicio hanno molte proprietà eccellenti, come la resistenza alle alte temperature, la buona resistenza all'usura, il piccolo coefficiente di espansione termica, l'elevata durezza, la resistenza agli shock termici, la resistenza alla corrosione chimica e così via, per cui sono ampiamente utilizzati nelle automobili, nei macchinari, nell'industria chimica, nella protezione ambientale, nella tecnologia spaziale, nell'elettronica dell'informazione, nell'energia e in altri campi.

L'applicazione della metallurgia:

Nell'industria metallurgica, il carburo di silicio nero viene utilizzato nella produzione di ferro e acciaio. Può essere aggiunto al metallo fuso per aumentarne le proprietà e migliorare la qualità del prodotto finale.

Il carburo di silicio è superato solo dai diamanti in termini di durezza Mohs. Ha una grande resistenza all'usura ed è un materiale ideale per tubazioni, giranti, camere di pompe, cicloni e rivestimenti di tramogge minerarie. La sua resistenza all'usura è più di cinque volte superiore a quella della ghisa e della gomma ed è anche uno dei migliori materiali per le piste di volo dell'aviazione.

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