Beta‑Silicon Carbide (β‑SiC) Applications in Advanced Sintered Ceramics ?

La polvere di β‑SiC (carburo di silicio cubico 3C‑SiC) possiede un’attività di sinterizzazione di gran lunga superiore rispetto all’α‑SiC (carburo di silicio esagonale verde/nero). Consente la densificazione tramite sinterizzazione a bassa temperatura e senza pressione, pressatura a caldo e pressatura isostatica a caldo. Il suo cristallo cubico offre proprietà termomeccaniche isotrope con grani fini e uniformi. Dopo la sinterizzazione con polvere ad elevata purezza, può essere trasformata in ceramiche strutturali per apparecchiature per semiconduttori, componenti strutturali resistenti all’usura e alla corrosione, arredi per forni ad alta temperatura e fasi di rinforzo per compositi a matrice ceramica.

Vantaggi dei materiali di base per le ceramiche sinterizzate

  1. Elevata attività di sinterizzazione : rispetto all’α-SiC, il β-SiC sinterizza a temperature inferiori e raggiunge facilmente un’elevata densità. È adatto alla sinterizzazione senza pressione per la produzione di componenti di grandi dimensioni e di forma complessa, riducendo la difficoltà di sinterizzazione e i costi di produzione.
  2. Prestazioni isotropiche : il cristallo cubico non presenta differenze direzionali nelle proprietà termiche e meccaniche, garantendo una buona consistenza dimensionale e una bassa deformazione dopo la lavorazione di precisione.
  3. Grana fine e alta resistenza : i corpi sinterizzati presentano una grana fine, un’elevata resistenza alla flessione e un’eccellente resistenza agli shock termici, resistendo alle crepe durante i rapidi cicli di riscaldamento e raffreddamento.
  4. Resistenza all’usura e alla corrosione e alta conduttività termica : resistente alla corrosione da acidi e alcali forti e all’ossidazione ad alta temperatura; elevata conduttività termica e basso coefficiente di dilatazione termica. Il grado ad alta purezza contiene impurità metalliche estremamente basse per soddisfare i requisiti di pulizia dei semiconduttori.
  5. Modifica tramite drogaggio disponibile : è possibile ottenere prestazioni conduttive o semiconduttive tramite drogaggio di sinterizzazione per soddisfare le condizioni di funzionamento elettrico.

Principali scenari applicativi

1. Componenti ceramici sinterizzati per apparecchiature a semiconduttore (polvere di β-SiC ad elevata purezza)

Sinterizzato da polvere di β‑SiC ad alta purezza (diversa dalle parti monolitiche CVD), per la sostituzione nazionale dei processi a nodo maturo: ‑ Camera di incisione al plasma: anello perimetrale, anello di focalizzazione, rivestimento della camera, base di supporto isolante ‑ Apparecchiatura per trattamento termico/epitassia: supporto per wafer, barchetta per wafer, paletta a sbalzo, tubo del forno, deflettore di protezione termica ‑ Apparecchiatura di lappatura e ispezione: mandrino a vuoto in ceramica, wafer fittizio, componenti della piattaforma di movimento di precisione

Nota: il β‑SiC sinterizzato è inferiore al β‑SiC monolitico CVD in termini di purezza e densità, tuttavia presenta notevoli vantaggi in termini di costi per le applicazioni a nodo tecnologico maturo.

2. Ceramiche strutturali industriali resistenti all’usura e alla corrosione

‑ Anelli di tenuta meccanica, cuscinetti in ceramica, rivestimenti antiusura per valvole di pompe, ugelli per sabbiatura, ugelli per bruciatori ‑ Parti resistenti all’usura e alla corrosione per l’industria chimica e dei metalli non ferrosi contro l’erosione forte-media

3. Componenti termici del forno ad alta temperatura

Barre a rulli, travi, ripiani, supporti, crogioli, tubi di protezione per termocoppie, tubi di riscaldamento radiante. Utilizzati in forni a rulli e forni per trattamenti termici, offrono un’ottima resistenza agli shock termici per frequenti cicli di aumento e diminuzione della temperatura e una durata maggiore rispetto ai tradizionali componenti per forni in α-SiC.

4. Fasi di rinforzo per compositi a matrice ceramica (CMC)

La polvere/i baffi di β-SiC fungono da riempitivo di rinforzo per le ceramiche composite SiC/SiC, impiegate in componenti termostrutturali ad alta temperatura e in parti protettive resistenti agli shock termici per il settore aerospaziale, al fine di migliorarne la tenacità e la resistenza agli shock termici.

5. Componenti di protezione militare e componenti speciali per alte temperature

Piastre corazzate in ceramica antiproiettile, componenti leggeri antiurto; parti strutturali resistenti alle radiazioni e alle alte temperature per l’industria nucleare, resistenti alla corrosione ad alta temperatura e ai danni da radiazioni.

Parametri tecnici chiave delle ceramiche β‑SiC sinterizzate

Articolo Ceramiche β‑SiC sinterizzate
Fase cristallina β‑SiC (fase cubica 3C‑SiC)
Purezza ≥99,99% (grado semiconduttore)
Densità 3,18‑3,20 g/cm³
conducibilità termica 220‑280 W/(m·K)
Forza flessionale 420‑520 MPa
resistività volumetrica 0,01‑10 Ω·cm (regolabile tramite drogaggio)
Temperatura massima di servizio 1400 ℃ sotto vuoto; 1700 ℃ in aria
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