Il carburo di silicio è un composto covalente con un forte legame Si–C e una struttura simile al diamante-, esistente in più politipi. Il suo forte legame covalente conferisce al SiC una struttura cristallina stabile, stabilità chimica, durezza estremamente elevata, resistenza alla corrosione e stabilità termochimica.
Il rinforzo dei compositi mediante carburo di silicio può essere classificato in tre tipi in base alla natura fisica del rinforzo: particelle di carburo di silicio (SiCₚ), whiskers di carburo di silicio (SiCw) e fibre di carburo di silicio (SiCf). Tra questi, i whisker di carburo di silicio sono materiali cristallini a fibra corta altamente anisotropi su scala da nano- a micrometri, con una struttura a cristallo singolo-, un determinato rapporto di aspetto (5–1000 μm) e un'area di sezione trasversale (-<0.052 mm²). Their structural characteristics determine their outstanding properties, such as high strength (>21 GPa), high elastic modulus (>490 GPa), high melting point (>2900 gradi), resistenza all'usura e resistenza alla corrosione. Contengono pochissimi difetti interni, con atomi altamente ordinati, e la loro forza e modulo si avvicinano ai valori teorici dei cristalli perfetti, guadagnandosi il titolo di "re dei baffi". Queste eccellenti proprietà rendono i whisker in carburo di silicio i rinforzi ideali per i compositi a matrice-metallica,-ceramica e a matrice-polimerica e sono ora ampiamente utilizzati in macchinari, elettronica, prodotti chimici, energia, aerospaziale, protezione ambientale e in molti altri campi.
Metodi di preparazione dei whisker di carburo di silicio
Attualmente, i metodi di preparazione per i whisker di carburo di silicio includono principalmente reazioni in fase vapore, reazioni in fase liquida e reazioni in fase solida. Tra questi, i metodi in fase vapore- includono la deposizione chimica in fase vapore e l'evaporazione termica; i metodi in fase-liquida includono il metodo sol-gel; e i metodi in fase solida- includono la riduzione carbotermica e il riscaldamento a microonde.
Deposizione chimica da fase vapore (CVD)
Il CVD è il processo in fase vapore-più utilizzato. Innanzitutto, un substrato (ad esempio grafite, ceramica, ecc.) viene posto in un forno di reazione e rivestito uniformemente con un catalizzatore sulla sua superficie. Quindi, nel forno vengono introdotte fonti di silicio, fonti di carbonio e un gas vettore (ad esempio idrogeno) e vengono regolati parametri quali temperatura, pressione e portata del gas. Ad alta temperatura, i reagenti gassosi subiscono reazioni chimiche sotto l'azione del catalizzatore e i baffi di carburo di silicio crescono gradualmente sulla superficie del substrato. Dopo la reazione, il forno viene raffreddato e il substrato viene rimosso per ottenere il campione con whisker di SiC cresciuti.
Rispetto ad altri metodi, i whisker SiC prodotti da CVD hanno elevata purezza e resa, buona cristallinità, pochi difetti e il processo di reazione è facile da controllare. L'attrezzatura è semplice, il funzionamento è conveniente e la temperatura di reazione è relativamente bassa. Tuttavia, le apparecchiature CVD sono costose, sono necessarie materie prime gassose e gas vettore di elevata purezza-e la reazione può far crescere baffi solo su una superficie limitata del substrato, con conseguente bassa efficienza produttiva e produzione limitata, rendendo difficile la produzione continua su larga-scala. Questi fattori mantengono elevati i costi di preparazione e ne limitano l'applicazione industriale su larga-scala.
Metodo di evaporazione termica
Il processo principale del metodo di evaporazione termica per preparare i whisker SiC è il seguente: in primo luogo, una fonte di silicio (ad esempio, wafer di silicio, siliciuri di leghe o polvere di silicio) e un substrato di fonte di carbonio (ad esempio, fibre di carbonio o fogli di grafite) vengono posti insieme in un crogiolo di grafite all'estremità ad alta-temperatura. In un'atmosfera di idrogeno ad alta-temperatura, la sorgente di silicio viene riscaldata e fusa per formare vapore di silicio, che viene trasportato dal gas di trasporto al substrato della sorgente di carbonio all'estremità a bassa-temperatura. Gli atomi di carbonio e silicio reagiscono chimicamente nei siti attivi sul substrato, cristallizzando in un orientamento cristallografico specifico e alla fine una matrice di baffi SiC unidimensionale cresce sul substrato attraverso un meccanismo di crescita di nucleazione. Il gradiente di temperatura in questo processo è particolarmente critico: l'estremità ad alta-temperatura garantisce un'evaporazione sufficiente delle materie prime, mentre l'estremità a bassa-temperatura fornisce un ambiente soprasaturo adatto per la crescita dei baffi. Il controllo del livello di vuoto e della composizione dell'atmosfera influisce direttamente sull'efficienza del trasporto e sul percorso di reazione del vapore.
Questo metodo mostra vantaggi unici nella preparazione controllabile dei whisker SiC. La sua innovazione consiste nell'eliminare fonti complesse di gas organico e catalizzatori di metalli preziosi, semplificando il percorso della fase vapore-, riducendo i costi delle apparecchiature e la complessità del processo ed evitando la contaminazione da impurità derivanti dai residui catalitici, garantendo così prodotti di elevata-purezza. Controllando sinergicamente parametri chiave come temperatura e pressione, è possibile ottenere una progettazione precisa del diametro dei baffi, delle proporzioni e della struttura superficiale. Tuttavia, l’industrializzazione di questa tecnologia deve ancora affrontare dei colli di bottiglia. Le condizioni di reazione ad alta-temperatura portano a un elevato consumo di energia e pongono gravi sfide alla durabilità del forno di reazione, limitando direttamente la sua redditività economica per la produzione su larga-scala.
Metodo Sol-Gel
Nel metodo sol-gel, i precursori contenenti silicio- e carbonio- (ad esempio organosilani, resine fenoliche, saccarosio, ecc.) vengono dispersi in un solvente nella fase liquida. Attraverso reazioni di idrolisi e condensazione si forma un sol che poi gelifica. Dopo l'essiccazione e la calcinazione, si ottengono materiali whisker di carburo di silicio. Al momento, il metodo sol-gel è per lo più limitato alla ricerca di laboratorio per la preparazione di campioni ad alte-prestazioni, in piccoli-lotti ed è difficile ottenere una produzione continua su larga-scala.
Metodo di riduzione carbotermica
Il metodo di riduzione carbotermica è un percorso importante ed economico per la produzione industriale di whiskers di SiC. Il suo principio è quello di utilizzare materiali carboniosi (ad esempio nerofumo, grafite, ecc.) per ridurre una fonte di silicio (solitamente SiO₂, da sabbia di quarzo, cenere di lolla di riso, ecc.) in un'atmosfera inerte ad alta-temperatura, generando SiO e CO gassosi. Successivamente, il vapore di SiO nella fase gassosa si diffonde e reagisce con il carbonio sulla superficie o con la CO nell'ambiente per formare molecole di SiC, che si depositano e crescono in baffi.
I principali vantaggi del metodo di riduzione carbotermica sono l’ampia disponibilità di materie prime, requisiti di attrezzature semplici, temperatura di sintesi relativamente bassa e facilità di produzione in lotti. I whisker SiC risultanti possono avere proporzioni superiori a 100:1 e, se aggiunti come rinforzi ai compositi, migliorano significativamente la resistenza meccanica e all'usura, mostrando un valore applicativo insostituibile nei componenti strutturali ad alta-temperatura. Tuttavia, questo metodo presenta anche dei limiti. Poiché prima genera una fase vapore ad alta temperatura e poi produce baffi in situ attraverso reazioni in fase vapore-, il controllo preciso del processo di reazione ad alta-temperatura è impegnativo. Le fluttuazioni nella concentrazione del vapore possono influenzare in modo significativo la morfologia dei baffi, rendendo difficile il controllo preciso del diametro, della lunghezza e dell'uniformità. Il prodotto spesso contiene SiO₂ non reagito o inclusioni di carbonio, che incidono sulla purezza e sulle prestazioni e richiedono un post-trattamento. Inoltre, i whisker di SiC prodotti con questo metodo contengono solitamente particelle di SiC e la separazione efficiente dei whiskers dalle particelle rimane un problema da risolvere.
Metodo di riscaldamento a microonde
Il metodo di riscaldamento a microonde è diventato un punto caldo della ricerca grazie alla sua velocità di riscaldamento rapida, al basso consumo energetico e alla temperatura di sintesi più bassa. Essendo una tecnologia emergente per la preparazione dei baffi SiC, il riscaldamento a microonde utilizza l'energia delle microonde come fonte di riscaldamento, consentendo ai materiali di riscaldarsi attraverso la propria perdita dielettrica e completare le reazioni chimiche desiderate. La frequenza delle microonde comunemente utilizzata è 2,45 GHz. Rispetto ai forni tradizionali, il riscaldamento a microonde consente il riscaldamento simultaneo sia della superficie che dell'interno del materiale, il che è più vantaggioso per il miglioramento delle proprietà del materiale. Il processo passa in sequenza attraverso l'accumulo di calore, la formazione dei baffi e l'ottimizzazione della morfologia dei baffi, con temperature diverse che portano a diverse forme di baffi SiC.
Il riscaldamento a microonde offre vantaggi come elevata efficienza di riscaldamento e utilizzo dell'energia, risparmio energetico, risparmio di tempo e rispetto dell'ambiente. Tuttavia, le apparecchiature a microonde ad alta-temperatura sono tecnicamente complesse e molto più costose delle apparecchiature di riscaldamento tradizionali. La distribuzione non-uniforme del campo delle microonde e il forte assorbimento delle microonde del SiC generato localmente possono causare "punti caldi" locali e rischi di fuga termica, influenzando l'uniformità della crescita dei baffi e altri processi. Superare queste sfide relative al controllo delle apparecchiature e dei processi sarà fondamentale per ottenere una più ampia applicazione della tecnologia di riscaldamento a microonde nel campo della preparazione dei whisker di SiC.