Définition du carbure de silicium

Le carbure de silicium, communément appelé SiC, est un matériau cristallin noir ou vert foncé qui peut être synthétisé en laboratoire ou se trouver à l'état naturel sous la forme d'un minéral rare, la moissanite.

Les matériaux céramiques comptent parmi les matériaux céramiques avancés les plus légers, les plus durs et les plus résistants disponibles aujourd'hui. Leur résistance à l'usure physique, à la corrosion, à la dilatation et à la contraction thermiques est inégalée et ils offrent également des propriétés électriques uniques.

Propriétés physiques

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau extrêmement dur et cassant que l'on trouve à la fois dans la nature sous forme de moissanite minérale et dans l'industrie en tant qu'abrasif et semi-conducteur. En raison de sa combinaison unique de propriétés physiques, le carbure de silicium est depuis longtemps recherché dans de nombreuses applications pour divers usages.

La structure cristalline du SiC varie en fonction de la pureté, de l'a-SiC hexagonal ou rhomboédrique au b-SiC cubique (qui se transforme en a-SiC à des températures supérieures à 2100 degrés Celsius). Le SiC industriel peut apparaître blanc, jaune, vert, bleu ou même noir en fonction de son niveau d'impureté et de son type.

À l'état pur, le carbure de silicium agit comme un isolant électrique. Toutefois, lorsqu'il est traité avec des dopants ou des impuretés, il devient semi-conducteur, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans des dispositifs électroniques à faible consommation d'énergie tels que les DEL et les détecteurs.

La résistance impressionnante du carbure de silicium aux conditions extrêmes a favorisé son utilisation croissante dans la technologie spatiale, notamment dans le cadre de la mission BepiColombo vers Mercure, où les panneaux solaires utilisent des diodes SiC qui se sont avérées capables de résister aux conditions spatiales les plus difficiles. En outre, le mélange unique d'utilité industrielle et de symbolisme spirituel du carbure de silicium lui a valu d'être adopté dans les pratiques spirituelles en raison de sa capacité à encourager la persévérance face aux défis de la vie tout en inspirant la transformation en les expérimentant, ce qui alimente encore davantage la croissance de son marché mondial.

Propriétés électriques

Le carbure de silicium peut agir à la fois comme un isolant à basse température et comme un conducteur métallique à haute température, en fonction de sa température. Mais en ajoutant des impuretés telles que des impuretés d'azote ou de phosphore qui créent des porteurs de charge libres supplémentaires (électrons et trous), le carbure de silicium peut également devenir un matériau semi-conducteur avec des porteurs de charge supplémentaires (électrons et trous).

À tel point que les alliages d'aluminium sont souvent utilisés dans les outils de coupe ainsi que dans des applications structurelles telles que les freins de voiture, les embrayages et les plaques en céramique des gilets pare-balles. En outre, les parafoudres et les miroirs des télescopes astronomiques utilisent souvent ce matériau.

Les propriétés électriques du SiC sont encore améliorées par sa nature de semi-conducteur à large bande interdite, qui nécessite moins d'énergie pour transférer les électrons de ses bandes de valence aux bandes de conduction que le silicium, ce qui conduit à des tensions de claquage plus élevées et à des temps de commutation plus courts qui réduisent les pertes et améliorent l'efficacité.

Les transistors en carbure de silicium offrent des avantages significatifs en termes d'efficacité dans les applications de véhicules électriques en fournissant plus de puissance avec un onduleur plus petit et plus léger - en particulier lorsque les normes de charge augmentent jusqu'à 800 volts, ce qui nécessite des composants avec des pertes minimales lorsqu'ils sont soumis à une tension élevée. Le carbure de silicium fournit ces solutions grâce aux IGBT et aux MOSFET qui ont des capacités de tension de blocage élevées avec une résistance à l'enclenchement extrêmement faible, ce qui permet à ces niveaux de tension élevés d'être respectés de manière plus fiable, permettant ainsi une plus grande autonomie de conduite et une réduction des coûts du système.

Propriétés thermiques

Le carbure de silicium a une cote exceptionnelle de 9 sur l'échelle de Mohs, ce qui en fait la substance synthétique la plus dure jamais créée. Produit sous forme de poudre ou de cristaux, le carbure de silicium peut être combiné pour former des céramiques utilisées comme abrasifs et matériaux structurels tels que les gilets pare-balles ou les plaques de frein en céramique. En raison de ses propriétés thermiques, il est également utilisé dans des applications exigeantes telles que la fusion de métaux, la construction d'installations de traitement chimique ou d'équipements de production d'énergie.

La résistance du carbure de silicium aux réactions chimiques et aux températures élevées en fait une matière première inestimable pour la fabrication de réfractaires durs, et les applications céramiques comprennent la création de revêtements solides et résistants à l'usure, ainsi que de milieux de broyage. En outre, le carbure de silicium constitue un excellent choix de matériau pour la technologie d'étanchéité dynamique utilisée dans les pompes et les systèmes d'entraînement.

Le carbure de silicium se comporte comme un isolant à l'état pur ; avec l'ajout contrôlé d'impuretés telles que l'aluminium, le bore, le gallium ou l'azote, il devient un semi-conducteur. Les semi-conducteurs en carbure de silicium possèdent une bande interdite extrêmement large ; le passage des électrons de la bande de valence à la bande de conduction nécessite beaucoup plus d'énergie que dans les autres semi-conducteurs, ce qui nécessite une tension plus faible pour les décomposer et permet des fréquences de commutation plus élevées avec une résistance parasite réduite.

Propriétés mécaniques

Le carbure de silicium peut résister à des températures allant jusqu'à 1400 degrés Celsius avec une dégradation minimale de la résistance à la rupture, ce qui en fait un excellent matériau abrasif adapté au meulage des métaux et des céramiques, à l'utilisation lapidaire et comme matériau structurel dans les voitures, comme les freins et les embrayages ; on le trouve également dans les plaques céramiques des gilets pare-balles et dans les dispositifs électroniques à semi-conducteurs fonctionnant à des températures ou à des tensions élevées. La dureté du SiC en fait également un abrasif idéal pour le meulage des freins et des embrayages automobiles, tandis que ses qualités de résistance à la rupture en font un matériau abrasif utile pour le meulage des métaux et des céramiques contre ces matériaux utilisés contre des plaques de céramique fonctionnant à des températures/voltages plus élevés que ceux de la concurrence - sa grande fiabilité fait donc du SiC un abrasif populaire dans les applications lapidaires, pour le meulage des freins et des embrayages automobiles, ainsi que pour les plaques de céramique utilisées dans les gilets pare-balles et les dispositifs électroniques à semi-conducteurs fonctionnant à des températures/voltages plus élevés que ceux prévus !

À l'état pur, le carbure de silicium est un isolant électrique ; lorsque des impuretés sont introduites, il devient semi-conducteur. Avec une bande interdite plus large que celle du silicium cristallin et une plus grande énergie nécessaire pour déplacer les électrons dans sa bande de conduction, le carbure de silicium peut tolérer des champs électriques de rupture plus élevés.

Le carborundum (Carbrundm/) a été découvert par le Pennsylvanien Edward Acheson en 1891 et est devenu depuis l'un des matériaux céramiques industriels les plus importants. Produit synthétiquement ou naturellement sous forme de moissanite, le SiC est produit en masse sous forme de poudre depuis plus d'un siècle pour être utilisé comme abrasif. Les grains de SiC peuvent également être liés entre eux à l'aide de divers agents liants pour former des céramiques extrêmement dures, utiles dans les applications nécessitant à la fois une résistance thermique (résistance aux températures élevées) et une résistance mécanique (dureté). Le SiC a également été utilisé pour renforcer les métaux ou les céramiques.