Piastre in carburo di silicio

Le piastre in carburo di silicio sono una componente fondamentale delle giubbotti antiproiettile, in quanto garantiscono una protezione contro molteplici minacce, quali proiettili e schegge, pur rimanendo leggere rispetto ad altri materiali utilizzati per le protezioni, consentendo così maggiore mobilità e comfort a chi le indossa.

Per garantire la qualità, le piastre in carburo di silicio vengono sottoposte a rigorosi test e processi di controllo qualità. Di seguito illustreremo alcune delle loro caratteristiche principali.

Durezza

Le piastre in carburo di silicio vantano uno dei livelli di durezza più elevati, seconde solo al diamante, il che le rende estremamente resistenti all’usura e all’abrasione e le rende adatte ad ambienti caratterizzati da elevate sollecitazioni meccaniche e pressioni. La loro integrità strutturale garantisce inoltre che non si deformino in condizioni di pressione, mantenendo così funzionalità e prestazioni.

I materiali ceramici non offrono solo resistenza e durata; sono inoltre atossici e inerti, il che li rende sicuri da utilizzare in numerosi processi industriali. I loro bassi coefficienti di dilatazione termica garantiscono stabilità in caso di sbalzi di temperatura rapidi, mentre la protezione dalla corrosione li aiuta a resistere alle sostanze chimiche aggressive.

Le piastre in carburo di silicio sono parti integranti dei sistemi di protezione balistica progettati per difendere da minacce balistiche multiple, il che le rende componenti essenziali nella protezione contro varie minacce balistiche. In genere, sono realizzate con un materiale composito costituito da ceramica al carburo di silicio miscelata con altri materiali quali il carburo di boro e fibre ad alta resistenza come il Kevlar o il polietilene ad altissimo peso molecolare. La ceramica al carburo di silicio offre un’eccellente durezza e resistenza alla penetrazione, mentre l’aggiunta di materiali che ne aumentano la flessibilità, la resistenza agli urti e le prestazioni balistiche ne potenzia ulteriormente le capacità. I materiali di protezione al silicio sono leggeri rispetto ad altri materiali da protezione, consentendo agli utenti di muoversi con maggiore facilità e agilità, offrendo al contempo capacità di protezione contro minacce multiple che li rendono perfetti sia per l’uso militare che per le forze dell’ordine. Esistono varie tecniche per ottimizzare la durezza del silicio, come l’aumento delle sollecitazioni di trazione intrinseche durante la lavorazione, l’aggiunta di boro o l’impiego dell’impiantazione ionica per formare strati di cementazione superficiale: tutti questi metodi possono aumentare ulteriormente la durezza del silicio.

Resistenza

Il carburo di silicio è uno dei materiali più duri e resistenti conosciuti dall'uomo, con un grado di durezza secondo la scala di Mohs pari a 13. Ciò lo colloca al terzo posto nella scala di Mohs, subito dopo il diamante e il nitruro di boro cubico; è quindi in grado di resistere a intense sollecitazioni meccaniche senza deformarsi, rendendolo adatto ad applicazioni che comportano carichi pesanti o abrasione.

Il carburo di silicio si distingue dagli altri materiali per la sua estrema durezza e resistenza al calore; infatti, è in grado di sopportare temperature fino a 1600 °C senza subire fessurazioni. Grazie anche alla sua inerzia chimica e al basso coefficiente di dilatazione termica, il carburo di silicio rappresenta un materiale ideale per applicazioni ad alte prestazioni in condizioni ambientali estreme.

Il carburo di silicio si distingue tra i materiali resistenti per la sua tenacità alla frattura straordinariamente elevata. Diversi studi hanno dimostrato la sua capacità di resistere a proiettili che viaggiano a velocità fino a 752 metri al secondo, simili a quelle dei proiettili M993 da 7,62x51 mm. Inoltre, la sua resistenza agli acidi e agli alcali si rivela utile quando si lavora in ambienti soggetti a corrosione chimica.

La purezza chimica e la resistenza alla corrosione del carburo di silicio ne hanno determinato l'ampio impiego come supporti per vassoi di wafer e pale nei forni per semiconduttori, come abrasivo, come materiale per lame di utensili da taglio e come componente in termocoppie e varistori.

Conduttività termica

Le piastre in carburo di silicio presentano un'eccellente conducibilità termica, il che le rende il materiale ideale per l'impiego nei settori della lavorazione chimica, del petrolio e del gas e in altri ambienti ad alta temperatura. La loro resistenza alla corrosione le protegge dai danni causati da sostanze chimiche aggressive, contribuendo a garantirne la resistenza anche in condizioni estreme.

La conducibilità termica misura la velocità con cui il calore si trasferisce attraverso un materiale e può essere espressa come scalare o come tensore di secondo ordine. I suoi valori dipendono dalla struttura del materiale, in particolare dalla geometria del reticolo; ad esempio, i materiali con struttura FCC (cubica a facce centrate) presentano in genere una conducibilità termica maggiore rispetto a quelli con struttura BCC. Inoltre, anche la dimensione dei cristalli può influire: i cristalli più piccoli tendono a contenere un maggior numero di bordi di grano che fungono da barriere al movimento del calore e possono ridurre la conducibilità termica nel tempo.

In generale, i materiali che contengono più carbonio tendono ad avere una conduttività termica più elevata. Tuttavia, questa relazione non è sempre valida e può essere alterata dalla porosità; i materiali porosi tendono ad avere una conduttività termica più bassa a causa dei processi di produzione o di una lavorazione inadeguata, e il loro impatto è difficile da prevedere con esattezza. Questo effetto deriva dal fatto che i processi di produzione lasciano delle sacche d’aria all’interno dei materiali solidi, che riducono significativamente la conducibilità termica.

Resistenza alla corrosione

Le piastre in carburo di silicio offrono un’eccezionale resistenza alla corrosione chimica, unita alla loro durezza e resistenza meccanica, che le rendono un eccellente materiale da costruzione. La combinazione di resistenza chimica, durezza, resistenza meccanica e proprietà di schermatura balistica ne ha determinato un ampio impiego su veicoli militari e aeromobili, nonché nella realizzazione di scudi balistici e barricate. Inoltre, la loro resistenza all’abrasione e all’erosione rende questi materiali una scelta popolare anche per gli ugelli degli impianti chimici.

Il carburo di silicio sinterizzato senza pressione offre un'eccezionale resistenza alla corrosione da parte degli acidi più comuni (acido cloridrico, solforico e fosforico), delle basi (ammine, potassa e soda caustica) e degli agenti ossidanti come l'acido nitrico. Sebbene la causa esatta rimanga sconosciuta, esiste la possibilità che la sua incredibile durata possa essere correlata alla presenza di carburo di silicio di forma a senza tracce di forma b oppure a una minore concentrazione di impurità di ferro, alluminio o calcio nella sua composizione.

Lo studio di quattro tipi di giunti a piastra in SiC realizzati mediante saldatura per diffusione metallica con intercalare in molibdeno o titanio, sinterizzazione reattiva e sinterizzazione di nanopolveri ha rivelato che la maggior parte di essi ha resistito all’ambiente riducente per cinque settimane senza subire danni da corrosione; particolarmente impressionante è stata la resistenza alla corrosione mostrata dal carburo di silicio di forma a, grazie alla sua bassa concentrazione di elementi di forma b e alla formazione di strati di silice sulla sua superficie.