Propriétés et utilisations du carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) est l'une des substances les plus dures que l'on connaisse. Il est donc idéal pour créer des blocs de céramique qui protègent des balles ou assurent l'étanchéité des pompes fonctionnant à grande vitesse.

La poudre de noir de carbone est produite comme matériau abrasif et peut également être dopée pour devenir un semi-conducteur, ce qui la rend utile dans les dispositifs électroniques qui amplifient ou commutent les signaux.

Propriétés physiques

Le carbure de silicium est une céramique non oxydée, dure et durable, qui présente de nombreuses propriétés intéressantes qui la rendent adaptée à toute une série d'applications industrielles. Il peut résister à des températures extrêmes tout en présentant une excellente conductivité thermique. En outre, le carbure de silicium est l'un des matériaux synthétiques les plus durs (après le diamant en termes de dureté Mohs). En outre, ses caractéristiques de rupture le rendent adapté aux applications abrasives et aux meules, tandis que sa bande interdite se situe entre celles des isolants et des conducteurs - des propriétés qui font du carbure de silicium un matériau idéal pour des utilisations telles que les meules.

Contrairement à d'autres semi-conducteurs à large bande interdite comme le silicium et l'arséniure de gallium, le carbure de silicium peut être fabriqué en plusieurs polytypes pour être dopé avec une conductivité de type p ou de type n, ce qui en fait une excellente alternative au silicium pour les dispositifs de puissance.

Bien que rare sur Terre, le carbure de silicium est présent dans l'espace et dans les météorites. La météorite de Murchison contient des cristaux de carbure de silicium bêta-polymorphe qui permettent aux chercheurs de retracer son histoire météorique. Le carbure de silicium a également été utilisé comme blindage pare-balles en raison de son extrême difficulté de pénétration ; les blocs de céramique fabriqués à partir de cette substance peuvent résister à plusieurs balles sans se briser sous le feu des munitions - c'est le matériau le plus dur fabriqué à partir de la céramique !

Propriétés chimiques

Le carbure de silicium, plus communément appelé carborundum, est une céramique non oxydée exceptionnelle qui présente de nombreuses propriétés intéressantes. Si le carbure de silicium est depuis longtemps utilisé comme matériau abrasif dans des produits tels que le papier de verre et les meules, il constitue également l'épine dorsale des revêtements réfractaires des fours industriels ainsi que des composants thermostructurels des turbines à gaz et des systèmes de production d'énergie - sans oublier qu'il s'agit d'un matériau extrêmement dur qui résiste aux températures élevées sans subir de dommages dus à l'oxydation.

Sa dureté de 9,5 sur l'échelle de Mohs le place en deuxième position après le diamant. Outre sa résistance, ce matériau présente une excellente conductivité thermique et fonctionne comme un semi-conducteur. En outre, sa densité lui permet d'être utilisé comme abrasif et comme élément structurel.

Le carbure de silicium est généralement résistant à l'abrasion ; toutefois, les particules de carbure de silicium libres peuvent occasionnellement rayer sa surface et l'user. En outre, le carbure de silicium peut se corroder lorsqu'il est exposé à certains acides, alcalis et scories de carbone provenant des processus de gazéification du charbon.

Le SiC est connu pour sa résistance exceptionnelle à l'oxydation parmi les autres matériaux réfractaires. Grâce à une couche passivante de dioxyde de silicium qui empêche la formation de rouille, le SiC est un excellent choix de matériau pour les revêtements de fours ainsi que pour les composants résistants à l'usure tels que les joints de pompes. En outre, le SiC offre des performances exceptionnelles pour les applications à haute tension, avec une résistance à la tension 10 fois supérieure à celle du silicium ordinaire.

Propriétés thermiques

Le carbure de silicium se distingue par sa dureté, son faible module d'élasticité à température ambiante et sa dilatation thermique modérée, sa conductivité thermique élevée et son excellente résistance à l'oxydation, à la corrosion et à l'irradiation neutronique. En outre, il possède d'incroyables propriétés électriques, avec une résistance à la tension qui dépasse même les systèmes au nitrure de gallium de plus de 1000 V.

Le carbure de silicium à l'état pur est un isolant électrique ; cependant, le dopage à l'azote ou au phosphore le transforme en semi-conducteur de type n, tandis que le dopage à l'aluminium, au bore et au béryllium crée des semi-conducteurs de type p. Ces cristaux de carbure de silicium dopés peuvent ensuite être utilisés dans des dispositifs électriques tels que des résonateurs et des transistors.

Le carbure de silicium (SiC) est utilisé dans des applications céramiques structurelles telles que les roulements de pompe, les vannes, les injecteurs de sablage et les matrices d'extrusion en raison de sa solidité, de sa dureté, de sa durabilité, de son point de fusion élevé et de ses bonnes propriétés de résistance aux chocs chimiques et thermiques. Grâce aux propriétés exceptionnelles de ce matériau polyvalent - telles que la solidité, la dureté, la durabilité, le point de fusion élevé et la bonne résistance aux chocs chimiques et thermiques - il est possible de l'utiliser dans les véhicules spatiaux (mission BepiColombo vers Mercure et blocs de panneaux solaires avec des diodes SiC bloquantes directement exposées aux conditions de l'espace. Les diodes SiC constituent également un excellent choix pour les batteries des véhicules électriques en raison de leur grande résistance à la tension qui supporte des cycles répétés de charge/décharge sans défaillance - ce qui fait de ce matériau un choix extrêmement populaire parmi les ingénieurs !

Propriétés mécaniques

Le carbure de silicium est l'un des matériaux les plus durs sur Terre. Il est si dur qu'il faut des lames diamantées pour le couper. Mais ce matériau dense et solide constitue également un excellent choix pour les abrasifs, les outils de coupe, les revêtements réfractaires et les composants résistants à l'usure dans les fours industriels, sans oublier sa résistance aux températures élevées !

L'aluminium possède d'excellentes propriétés mécaniques, notamment sa capacité à prendre diverses formes. En outre, sa stabilité chimique supérieure permet de le souder avec d'autres matériaux, notamment l'acier, la céramique et le béton. En outre, l'aluminium supporte les catalyseurs hétérogènes en raison de sa stabilité chimique supérieure.

La combinaison unique des propriétés physiques, chimiques et thermiques du carbure de silicium en fait une technologie essentielle. Déjà utilisé dans diverses applications telles que les véhicules électriques et les onduleurs solaires, il se distingue de ses concurrents par sa résistance à la tension, qui est dix fois supérieure à celle du silicium et du nitrure de gallium.

La fibre de carbone est inerte et résistante à la plupart des acides, alcalis et sels, à l'exception de l'acide fluorhydrique, ce qui la rend apte à être exposée à l'air à des températures allant jusqu'à 2700 degrés Celsius pour des applications telles que les revêtements réfractaires dans les fours à métaux fondus ou les fours pétrochimiques à haute température et les applications de blindage pare-balles en raison de ses blocs de céramique dure qui sont difficiles à pénétrer par les balles.