CARBURO DI SILICIO: STRUTTURA CHIMICA, PROPRIETÀ E USI - CHIMICA - 2025

Il carburo di silicio è un covalente solido costituito da carbonio e silicio. È di grande durezza con un valore da 9,0 a 10 sulla scala di Mohs e la sua formula chimica è SiC, il che può suggerire che il carbonio è legato al silicio da un triplo legame covalente, con una carica positiva (+ ) su Si e una carica negativa (-) su carbonio ( ⁺ Si≡C ^- ).

In realtà, i legami in questo composto sono completamente diversi. Fu scoperto nel 1824 dal chimico svedese Jön Jacob Berzelius, mentre cercava di sintetizzare i diamanti. Nel 1893 lo scienziato francese Henry Moissani scoprì un minerale la cui composizione conteneva carburo di silicio.

Questa scoperta è stata fatta durante l'esame di campioni di roccia dal cratere di un meteorite nel Devil's Canyon, USA. Ha chiamato questo minerale moissanite. D'altra parte, Edward Goodrich Acheson (1894) creò un metodo per sintetizzare il carburo di silicio, facendo reagire sabbia o quarzo di elevata purezza con coke di petrolio.

Goodrich chiamò il prodotto ottenuto carborundum (o carborundium) e fondò un'azienda per la produzione di abrasivi.

Struttura chimica

L'immagine in alto illustra la struttura cubica e cristallina del carburo di silicio. Questa disposizione è la stessa di quella del diamante, nonostante le differenze nei raggi atomici tra C e Si.

Tutti i legami sono fortemente covalenti e direzionali, a differenza dei solidi ionici e delle loro interazioni elettrostatiche.

Il SiC forma tetraedri molecolari; cioè tutti gli atomi sono collegati ad altri quattro. Queste unità tetraedriche sono unite insieme da legami covalenti, adottando strutture cristalline stratificate.

Inoltre, questi strati hanno le proprie disposizioni di cristalli, che sono di tre tipi: A, B e C.

In altre parole, uno strato A è diverso dallo strato B e quest'ultimo da C. Pertanto, il cristallo SiC consiste nell'accatastamento di una sequenza di strati, fenomeno noto come politipismo.

Ad esempio, il politipo cubico (simile a quello del diamante) è costituito da una pila di strati ABC e quindi ha una struttura cristallina 3C.

Altre pile di questi strati generano anche altre strutture, tra questi politipi romboedrici ed esagonali. In effetti, le strutture cristalline del SiC finiscono per essere un "disturbo cristallino".

La struttura esagonale più semplice per SiC, la 2H (immagine superiore), si forma come risultato dell'impilamento degli strati con la sequenza ABABA … Dopo ogni due strati la sequenza si ripete, ed è da lì che viene il numero 2 .

Proprietà

Proprietà generali

Massa molare

40,11 g / mol

Aspetto

Varia a seconda del metodo di ottenimento e dei materiali utilizzati. Può essere: cristalli gialli, verdi, blu nerastri o iridescenti.

Densità

3,16 g / cm3

Punto di fusione

2830 ° C.

Indice di rifrazione

2.55.

Cristalli

Esistono polimorfismi: cristalli esagonali αSiC e cristalli cubici βSiC.

Durezza

Da 9 a 10 sulla scala di Mohs.

Resistenza agli agenti chimici

È resistente all'azione di acidi forti e alcali. Inoltre, il carburo di silicio è chimicamente inerte .

Proprietà termali

- Elevata conducibilità termica.

- Resiste alle alte temperature.

- Elevata conducibilità termica.

- Basso coefficiente di dilatazione termica lineare, quindi supporta alte temperature con bassa espansione.

- Resistente agli shock termici.

Proprietà meccaniche

- Elevata resistenza alla compressione.

- Resistente all'abrasione e alla corrosione.

- È un materiale leggero di grande forza e resistenza.

- Mantiene la sua resistenza elastica alle alte temperature.

Proprietà

È un semiconduttore che può svolgere le sue funzioni ad alte temperature e tensioni estreme, con poca dissipazione della sua potenza al campo elettrico.

applicazioni

Come abrasivo

- Il carburo di silicio è un semiconduttore in grado di resistere a temperature elevate, alta tensione o gradienti di campo elettrico 8 volte di più del silicio. Per questo è utile nella costruzione di diodi, transitori, soppressori e dispositivi a microonde ad alta energia.

- Con il composto, vengono prodotti diodi emettitori di luce (LED) e rivelatori delle prime radio (1907). Attualmente, il carburo di silicio è stato sostituito nella produzione di lampadine a LED dal nitruro di gallio che emette una luce da 10 a 100 volte più luminosa.

- Nei sistemi elettrici, il carburo di silicio viene utilizzato come parafulmine nei sistemi di alimentazione elettrica, poiché possono regolare la sua resistenza regolando la tensione attraverso di esso.

Sotto forma di ceramica strutturata

- In un processo noto come sinterizzazione, le particelle di carburo di silicio, così come quelle dei compagni, vengono riscaldate ad una temperatura inferiore alla temperatura di fusione di questa miscela. Pertanto, aumenta la resistenza e la forza dell'oggetto in ceramica, formando forti legami tra le particelle.

- Le ceramiche strutturali in carburo di silicio hanno avuto una vasta gamma di applicazioni. Sono utilizzati nei freni a disco e nelle frizioni degli autoveicoli, nei filtri antiparticolato diesel e come additivo negli oli per ridurre l'attrito.

- Gli usi della ceramica strutturale al carburo di silicio si sono diffusi in parti esposte ad alte temperature. Ad esempio, questo è il caso della gola degli iniettori del razzo e dei rulli dei forni.

- La combinazione di elevata conducibilità termica, durezza e stabilità alle alte temperature rende i componenti dei tubi dello scambiatore di calore realizzati in carburo di silicio.

- La ceramica strutturale viene utilizzata negli iniettori di sabbiatura, nelle guarnizioni delle pompe dell'acqua per autoveicoli, nei cuscinetti e nelle matrici di estrusione. È anche il materiale per i crogioli, utilizzato nella fusione dei metalli.

- Fa parte degli elementi riscaldanti utilizzati nella fusione del vetro e dei metalli non ferrosi, nonché nel trattamento termico dei metalli.

Altri usi

- Può essere utilizzato nella misura della temperatura dei gas. In una tecnica nota come pirometria, un filamento di carburo di silicio viene riscaldato ed emette radiazioni correlate alla temperatura in un intervallo di 800-2500ºK.

- Viene utilizzato negli impianti nucleari per prevenire la fuoriuscita di materiale prodotto dalla fissione.

- Nella produzione dell'acciaio viene utilizzato come combustibile.

Riferimenti

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