Perché utilizzare il carburo di silicio nero nei pannelli isolanti?

Perché utilizzare il carburo di silicio nero nei pannelli isolanti?

Il SiC nero è stato scelto per la sua combinazione unica di proprietà che affrontano direttamente le sfide di un ambiente ad alta temperatura.

1. Eccezionale resistenza agli shock termici

Questa è la ragione più importante. Il SiC ha una  conduttività termica molto elevata  (circa 120-140 W/m·K), che potrebbe sembrare controintuitiva per un pannello isolante. Tuttavia, quando utilizzato come aggregato all’interno di una matrice porosa e isolante, agisce come una rete di “autostrade del calore”.

• Meccanismo:  quando un lato della scheda viene riscaldato rapidamente, le particelle di SiC distribuiscono rapidamente l’energia termica in tutto il materiale, prevenendo l’accumulo di forti gradienti termici e le conseguenti tensioni che causano la formazione di crepe. La matrice porosa circostante fornisce comunque il valore isolante complessivo.

2. Elevata resistenza meccanica e durezza

• Il SiC è uno dei materiali più duri disponibili (durezza Mohs ~9,5). Incorporandolo, la scheda aumenta significativamente:

  • Resistenza allo schiacciamento a freddo:  la tavola può sopportare carichi pesanti a temperatura ambiente.

  • Resistenza all’abrasione:  la tavola è meno soggetta a erosione a causa di flussi di gas o contatto fisico.

  • Resistenza alle alte temperature (modulo di rottura a caldo):  mantiene la sua resistenza a temperature in cui altri materiali si ammorbidirebbero.

3. Elevata conduttività termica (come vantaggio strategico)

Come accennato, questo serve a  gestire  il calore, non solo a bloccarlo. Permette di:

• Cicli di riscaldamento e raffreddamento più rapidi senza danneggiare la scheda.

• Distribuzione più uniforme della temperatura all’interno del forno.

4. Eccellente refrattarietà

• Il SiC nero ha un punto di fusione elevato (circa 2.730 °C o 4.946 °F) ed è stabile in atmosfere inerti o riducenti fino a circa 1.600 °C. Questo lo rende adatto alle applicazioni ad alta temperatura più impegnative.

Considerazioni e sfide chiave

L’uso del SiC nero non è privo di compromessi, che devono essere attentamente gestiti durante la produzione e l’applicazione.

1. Ossidazione

• Il problema:  a temperature superiori a circa 900 °C in un’atmosfera ossidante (aria), il SiC inizia a ossidarsi, formando uno strato di silice (SiO₂) sulla superficie.

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• Le conseguenze:

  • Nel tempo, lo strato di SiO₂ può portare a un graduale degrado e indebolimento delle particelle di SiC.

  • Il processo di ossidazione provoca una leggera espansione del volume, che può creare tensioni interne.

• Mitigazione:  i produttori spesso aggiungono antiossidanti (ad esempio silicio metallico) alla miscela, che si ossidano preferibilmente, proteggendo le particelle di SiC.

2. Costo

• Il carburo di silicio nero è più costoso di altri aggregati refrattari comuni come l’argilla calcinata, la bauxite o persino l’allumina fusa bianca. Questo aumenta il costo finale del pannello isolante.

3. Porosità controllata per l’isolamento

• Poiché il SiC è denso e conduttivo, il produttore deve progettare attentamente il resto della struttura della scheda per mantenere una bassa conduttività termica. Questo risultato viene in genere ottenuto:

  • Utilizzando riempitivi altamente porosi come  bolle di allumina  o  sfere di multilite .

  • Incorporando materiali organici bruciati che lasciano sacche d’aria.

  • Creazione di una struttura porosa fine a cellule chiuse.

Composizione tipica di un pannello isolante rinforzato con SiC

Una formulazione tipica potrebbe essere la seguente:

• 60-70%:  Bolle di allumina / Aggregati di mulite (Componente isolante primario)

• 15-25%:  Graniglia di carburo di silicio nero (aggregato di rinforzo)

• 10-15%:  polvere di allumina reattiva + argilla (matrice legante)

• 1-3%:  Additivi antiossidanti (ad esempio, polvere di silicio metallico)

• + Leganti:  come fosfati o silice colloidale per tenere insieme il corpo verde prima della cottura.

Applicazioni comuni

Le schede contenenti SiC nero vengono utilizzate nei settori più esigenti:

• Superfici calde del forno:  rivestimento interno direttamente esposto alle fiamme e alle alte temperature.

• Parte superiore del carro del forno:  la struttura che sostiene la merce in un forno a rulli o a tunnel, che richiede elevata resistenza e resistenza agli shock termici.

• Blocchi bruciatori:  bruciatori ad alta velocità circostanti in cui le fluttuazioni di temperatura sono estreme.

• Forni per trattamento termico:  per processi che richiedono cicli rapidi.

• Isolamento di backup:  dietro i densi getti refrattari per garantire l’integrità strutturale.

Riepilogo: SiC nero vs. alternative

Conclusione

Il carburo di silicio nero è un additivo di alta qualità che trasforma un pannello isolante ceramico standard in un prodotto ad alte prestazioni, durevole e termicamente robusto.  Il suo ruolo principale è quello di fornire un’impareggiabile resistenza agli shock termici e un’integrità strutturale in ambienti in cui rapidi sbalzi di temperatura e sollecitazioni meccaniche rappresentano una sfida costante. Sebbene il suo costo e la sua suscettibilità all’ossidazione rappresentino degli svantaggi, i vantaggi prestazionali nelle applicazioni critiche lo rendono un materiale indispensabile.