Le piastrelle in carburo di silicio: un’innovazione nel campo dei materiali protettivi

Il carburo di silicio è un materiale estremamente resistente, ideale per la protezione balistica, la resistenza all'abrasione e la stabilità chimica grazie al processo di nitrurazione a cui viene sottoposto, che gli conferisce un'eccellente resistenza agli shock termici.

Il SiC sinterizzato senza pressione presenta caratteristiche più vantaggiose rispetto al SiC legato per reazione: è più duro, più resistente all’abrasione, ha una resistenza alla corrosione superiore e un modulo di Young più elevato.

Durezza

Il carburo di silicio vanta una serie di eccezionali proprietà fisiche e chimiche che lo rendono un elemento indispensabile nella tecnologia moderna e nelle applicazioni industriali. Tra queste proprietà figurano la resistenza alle alte temperature, la resistenza alla corrosione chimica e la stabilità strutturale, che ne garantiscono il funzionamento anche negli ambienti operativi più difficili.

La durezza del carburo di silicio sinterizzato lo rende un materiale efficace per proteggere i lavoratori in ambienti di lavoro pericolosi. Grazie alla combinazione di resistenza alla compressione, modulo elastico e struttura tetraedrica, il carburo di silicio sinterizzato raggiunge uno dei valori di durezza secondo la scala di Mohs più elevati al mondo, superando sia il diamante che il carburo di boro! Inoltre, la sua inertezza chimica gli consente di resistere agli attacchi di sostanze chimiche aggressive o agenti che potrebbero danneggiare materiali meno resistenti.

Conduttività termica

L'eccellente conducibilità termica del carburo di silicio, la sua resistenza agli attacchi chimici e il mantenimento delle proprietà meccaniche alle alte temperature lo rendono una scelta molto diffusa per i supporti dei vassoi portwafer e le pale nei forni per semiconduttori. Inoltre, questo materiale si distingue in applicazioni particolarmente impegnative, come la manipolazione di acidi fluoridici o la lavorazione delle terre rare.

L'eccezionale resistenza all'usura e all'erosione del carburo di silicio gli consente di distinguersi in ambienti difficili quali mulini, impianti chimici, miniere e forni. Di conseguenza, il carburo di silicio trova numerose applicazioni in diversi settori: componenti in lamiera resistenti all’usura (lastre di spinta e guide di scorrimento), nonché elementi leggeri quali montanti, anelli di cottura, lastre di copertura e piastre di posizionamento sono solo alcuni degli impieghi di questo materiale versatile.

L'utilizzo del montaggio a termorestringimento per ottenere un precompressione di confinamento laterale ha dato risultati incoraggianti negli esperimenti, che si allineano bene con i modelli di simulazione a maglia fine. Tra le tendenze degne di nota figurano l'aumento del diametro e dell'altezza dei fori con l'aumentare della precompressione, dovuto alla maggiore permanenza radiale dell'impattatore, che costringe così una maggiore quantità di materiale tra la sottile piastra frontale e il collare in SiC.

Resistenza alla corrosione

Il carburo di silicio è un materiale ceramico estremamente leggero, duro e resistente agli agenti chimici. Grazie a queste proprietà, è diventato il materiale di elezione nella produzione di apparecchiature industriali quali pompe, valvole, turbine e ugelli destinati ad ambienti difficili, in quanto offre un’eccezionale resistenza alla corrosione e agli shock termici, oltre a un basso coefficiente di dilatazione termica.

Moynihan [30] ha dimostrato che le prestazioni balistiche della ceramica SiC sottile migliorano notevolmente quando questa viene fissata a una piastra di supporto tramite un collare in acciaio ad alta resistenza; ciò è dovuto alla precompressione da confinamento nella piastrella ceramica, che riduce la propagazione delle crepe coniche all’interno del collare e aumenta così la resistenza alla penetrazione.

Avvalendoci di scansioni TC ad alta fedeltà di due campioni di piastrelle in ceramica – C2 (precompresso) e C4 (non confinato) – abbiamo esaminato gli effetti della precompressione da confinamento sulle loro morfologie di frattura. Ciò ha consentito un confronto diretto tra i due campioni riguardo alla formazione del cono di Hertz.

Resistenza all'usura

Il carburo di silicio eccelle nella resistenza sia all’abrasione e all’usura da attrito sia alla corrosione chimica, garantendo una lunga durata in ambienti gravosi quali mulini, espansori ed estrusori. Inoltre, il SiC sinterizzato allo stato solido senza pressione vanta un’eccellente durezza, resistenza chimica e stabilità termica, oltre a possedere un modulo di Young eccezionale che garantisce un’ottima stabilità dimensionale.

Le piastrelle ceramiche refrattarie utilizzate negli impianti di termovalorizzazione contengono solitamente circa il 90% in peso di SiC legato a una matrice di alluminosilicato, come illustrato nella Tabella 1. La loro composizione e le principali proprietà sono riportate qui.

Le mappe a raggi X e le misurazioni EDS mostrano che gli elementi alcalini attaccano la microstruttura in prossimità della faccia calda delle piastrelle, come indicato dai picchi di cristobalite. L’analisi della distribuzione delle dimensioni dei pori e della porosità aperta, ottenuta tramite porosimetria a mercurio intrusivo su campioni prelevati dalle zone fredde all’interno delle zone di combustione, mostra che tale attacco ha prodotto strutture porose, come illustrato nella Figura 3, a testimonianza della penetrazione delle scorie fuse con conseguente dissoluzione e dispersione dei materiali refrattari.