Carburo di Silicio

La pressione di vapore, dato l’utilizzo in alto vuoto del materiale, è un parametro di primaria importanza per l’utilizzo come target, e può essere interpretata come la tendenza del passaggio dalla fase condensata a quella solida.

La preparazione del materiale in ambienti non completamente inerti provoca la presenza di impurità, che nonostante rendano più stabile il carburo di Uranio a temperature ambiente, possono però modificare la geometria. Per garantire la minor quantità di impurità viene utilizzata per la creazione del materiale target una glove box (figura 2.12).

Figura 2.1: glove box presente ai Laboratori Nazionali di Legnaro.

Il carburo di Uranio per il progetto SPES verrà prodotto ai Laboratori Nazionali di Legnaro, partendo dall’ossido di uranio UO2 e grafite. Attraverso il mescolamento in un mortaio di agata avverrà la reazione:

UO₂+ 6C = UC₂+ 2C + 2CO 2.1

Infine dopo la pressatura ed il trattamento termico si otterranno i dischi dello spessore desiderato. Il carburo di uranio così eseguito è già stato testato dalla facility HRIBF degli Oak Ridge National Laboratory con risultati che confermano le prospettive del progetto SPES attraverso l’utilizzo della geometria innovativa del target [12].

2.7.2 Carburo di Silicio

Il Carburo di Silicio, presente in natura sotto forma del rarissimo materiale miossanite, è un materiale ceramico composto da carbonio e silicio, generalmente ottenuto tramite sintesi, la cui prima produzione è avvenuta nel 1893 grazie allo statunitense Edward Goodrich Acheson. Attualmente prevede l’impiego in numerosi campi dell’industria: come materiale strutturale, ad esempio in turbine a gas, come semiconduttore nell’industria elettrica, come abrasivo per la considerevole durezza, nel settore automobilistico per teste di pistoni e cilindri, ed infine, come nel caso in esame, nell’ambito nucleare grazie alla sua notevole resistenza in ambienti ad elevata temperatura ed acidità.

Il carburo di silicio è un ceramico di tipo covalente, la nube elettronica formata dai due elettroni condivisi dal legame garantisce un’elevata conducibilità termica ed elettrica. Il SiC presente un’elevata densità ed una durezza notevole, con un coefficiente di dilatazione basso ed un’alta resistenza agli shock termici. Esiste in oltre 250 forme cristalline [18], questo grazie ad un gran numero di strutture cristalline note come politipi dove le variazioni di struttura sono in un’unica direzione, a causa della forma data da una serie di strati impilati uno sull’altro.

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Il carburo di silicio presenta due forme allotropiche, una cubica a facce centrate β-SiC, stabile fino a 2000°C ed una seconda esagonale α-SiC stabile ad alte temperature, garantendo la fusione attorno ai 2800 °C.

Figura 2.13: a sinistra rappresentazione dei piani delβ-SiC, a destra dell’α-SiC [19]. Come target iniziale del progetto SPES sono stati selezionati tre tipologie di carburi di silicio prodotti dalla compagnia francese Saint-Gobain, sotto il marchio registrato Hexoloy®. Il materiale, in forma alfa, viene sinterizzato a partire da polveri ad oltre 2000 °C, creando un materiale autolegante di durezza e leggerezza notevoli. Vengono qui descritti i tre carburi di silicio:

• Hexoloy® SiC SP: Carburo di silicio in forma alfa con una frazione di pori nel volume fino al 6% aventi una dimensione media di 50 μm. Queste porosità sferiche non interconnesse sono disperse omogeneamente nel materiale vengono aggiunte nel processo di sinterizzazione. Proprio grazie a queste sue proprietà, viene utilizzato come lubrificante in contatti striscianti quali giunzioni e cuscinetti. Infatti, le porosità sferiche vengono sfruttate come un serbatoio di lubrificante per garantire un film fluido nel caso di contatti striscianti. [20]

Figura 2.14: immagine SEM dell’area di frattura di un provino in SiC SP.

• Hexoloy® SiC SE: attraverso il processo di sinterizzazione, il materiale ottenuto ha una densità del 95% ed una dimensione del grano di 4-10 μm. Trova applicazioni nella chimica di processo, un esempio sono i forni ad elevate temperature, grazie alla particolare resistenza in ambienti molto severi. L’utilizzo così stressante è garantito da un’elevata durezza, resistenza alla corrosione e meccanica, stabilità ad alte temperature ed alta conducibilità termica. [21]

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Figura 2.15: immagine SEM dell’area di frattura di un provino in SiC SE.

• Hexoloy® SiC SA: Sempre ottenuto tramite sinterizzazione, il carburo di silicio in forma alfa ha una densità del 98% e ridotta porosità grazie alla grana fine. È in grado quindi di sostenere corrosione, erosione, usura per strisciamento e resistenza ad elevate temperature e shock termici. [22]

Figura 2.16: immagine SEM dell’area di frattura di un provino in SiC SA.

In tabella 2.2 sono riportate le proprietà delle tre tipologie scelte di carburo di silicio. Ciò garantisce una buona base di nozioni per l’utilizzo, questo non è però del tutto vero per il nostro ambiente di lavoro. Infatti, molte proprietà riportate sono note a temperature ambiente ed in aria, questo porta quindi la necessità di calcolo per alcune proprietà fondamentali tramite test sottovuoto ad alte temperature all’interno dei Laboratori Nazionali di Legnaro. Un esempio è la conducibilità termica che è nota da letteratura per il SiC SA per alte temperature [23] mentre per quanto riguarda gli altri due materiali la conducibilità sarà stimata attraverso l’uso del metodo della funzione ottima, che sarà approfondita in un prossimo capitolo.

Figura 2.17: Conducibilità termica del carburo di silicio Hexoloy® SiC SA [23]

0 20 40 60 80 100 120 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Co nd ucib ilit à ter m ica [W /m ∙°C] Temperatura [°C]

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Tabella 2.2: Proprietà Carburi di Silicio Hexoloy® [20] [21] [22].

Hexoloy® SiC SP Hexoloy® SiC SE Hexoloy® SiC SA Dimensione grano [μm] 4-10 4-10 4-10

Densità [g/cm3] 3.04 3.05 3.1

Durezza Knoop (carico 0.1 kg) [kg/mm2] 2800 2800 2800

Resistenza a flessione 4 pt. @RT [MPa] 240 280 380

Resistenza a compressione @RT [MPa] - - 3900

Modulo elastico @RT [MPa] 400 420 430

Modulo di Weibull 19 10 10

Coeff. di Poisson 0.14 0.14 0.14

Tenacità a frattura [MPa x m1/2] 4.3 4.6 4.6

Coeff. di espandione termica da @RT a

700 °C [°C-1] ^{4.2 4.02 4.02} Calore specifico [J/gmK] 0.59 0.67 0.67 Conducibilità termica [W/mK] @RT @100 °C @200 °C @400 °C 110 - - - 157.3 - 107.2 77.3 125.6 - 102.6 77.5 Porosità apparente [%] - 5-10% <2.0%