La crescente domanda di speroni di grafite purificata ha bisogno di un livello elevato

La struttura atomica della grafite può resistere a temperature estreme del forno in un ambiente corrosivo.

La domanda globale di grafite è in aumento e si prevede che continui per decenni, spinta dall’ampio utilizzo della grafite per una gamma di prodotti come batterie per auto elettriche e sistemi di accumulo di energia, LED, apparecchiature solari, semiconduttori ad alte prestazioni e componenti critici in forni ad alta temperatura.

Per ironia della sorte, i forni che producono grafite di elevata purezza richiedono anche componenti realizzati in grafite e materiali correlati come il carbonio rinforzato con fibre. L'esclusiva struttura atomica della grafite le conferisce la capacità di resistere a temperature estreme del forno in un ambiente corrosivo, rendendola la scelta ideale come materiale critico nelle zone calde utilizzate nei forni industriali.

"La grafite che si trova in natura ha una forma cristallina; quando estratta da una miniera, di solito ha circa il 90% di contenuto di carbonio. Fornaci specializzate ad alta temperatura creano grafite sintetica con circa il 99,5% di contenuto di carbonio. Se l'applicazione richiede una maggiore purezza, attrezzature specializzate possono ridurre le impurità nell'ordine delle parti per milione", ha affermato Thomas Palamides, Senior Product & Sales Manager - Industrial Furnaces presso PVA TePla America, un fornitore globale di attrezzature per forni industriali personalizzati per l'industria della grafite.

Per i fornitori di grafite, la crescente domanda di grafite sintetica ad alto contenuto di carbonio e le iniziative del governo federale per ripristinare la produzione nazionale di semiconduttori negli Stati Uniti stanno determinando la necessità di sistemi di forni elettrici a maggiore capacità che producano un carico utile maggiore in meno tempo. Poiché il processo di purificazione dei materiali coinvolge temperature estreme e gas nocivi, questi strumenti industriali richiedono controlli di processo e caratteristiche di sicurezza altamente specializzati.

In vari settori esistono molti usi del carburo di silicio, nella cui produzione la grafite è un componente essenziale.

La durezza superficiale superiore del carburo di silicio ne facilita l'uso in applicazioni ingegneristiche in cui è necessario per i componenti un elevato grado di resistenza allo scorrimento, all'usura erosiva e corrosiva. Il processo più semplice per produrre il carburo di silicio consiste nel combinare sabbia silicea e carbonio in un forno a resistenza elettrica di grafite a una temperatura compresa tra 1.600 °C e 2.500 °C.

Tuttavia, l'uso del carburo di silicio come materiale semiconduttore è una delle aree con il più alto potenziale di crescita. La domanda di grafite sta crescendo notevolmente poiché il carburo di silicio sostituisce il silicio come materiale semiconduttore preferito in molti prodotti elettronici della futura generazione. Rispetto ai tradizionali wafer di silicio, il carburo di silicio è superiore per il funzionamento a tensioni più elevate e fornisce intervalli di temperatura significativamente più ampi e frequenze di commutazione più elevate.

La legislazione federale volta a stimolare la produzione nazionale di semiconduttori e rafforzare la catena di approvvigionamento aumenterà anche la domanda di carburo di silicio e grafite. Il CHIPS and Science Act ha stanziato 52,7 miliardi di dollari per finanziare i programmi di incentivi per i semiconduttori autorizzati dal CHIPS for America Act del 2021.

Nell'industria dei semiconduttori, uno dei principali fattori trainanti dell'utilizzo della grafite è la crescita di monocristalli di carburo di silicio raffinati in vari processi successivi. La crescita dei cristalli inizia con una polvere consumabile di carburo di silicio come materiale di partenza. La polvere evapora se esposta a temperature superiori a 2.000 °C all'interno di un reattore della macchina per la crescita dei cristalli. Durante il processo, le molecole di silicio e carbonio formate nella fase gassosa cristallizzano lentamente su un disco di altissima qualità composto da carburo di silicio.

La grafite viene utilizzata in molte altre forme per consentire alle apparecchiature di resistere alle alte temperature, come rivestimenti di forni, scambiatori di calore, accessori di fonderia ed elettrodi. Pertanto, il processo avviene in un crogiolo di grafite circondato da un isolamento termico di grafite.

Nel settore, i fornitori di grafite spesso gestiscono forni vecchi di decenni e potrebbero essere pronti ad aumentare la capacità sostituendo attrezzature o costruendo nuove installazioni. Anche tra le opzioni dei forni di prossima generazione, possono esserci differenze sostanziali nel modo in cui il produttore affronta le questioni di sicurezza, affidabilità, configurazione e controllo nella progettazione delle apparecchiature.