Comment fabrique-t-on le carbure de silicium ?

Le carbure de silicium est un matériau extrêmement dur et durable que l'on trouve couramment dans les meules et les abrasifs. Avec une dureté exceptionnelle de 9 sur l'échelle de Mohs, seuls le diamant et le nitrure de bore cubique la surpassent ! Les excellentes propriétés de dureté du carbure de silicium lui permettent de surpasser les autres options lorsqu'il est utilisé pour les meules et les abrasifs.

C'est à Edward Goodrich Acheson que l'on doit d'avoir été le pionnier de la production de masse. En essayant de créer des diamants synthétiques, il a accidentellement chauffé du sable de silice mélangé à de la poudre de coke (carbone), produisant des cristaux bleus qu'il a appelés carborundum.

Fabrication

Le carbure de silicium (SiC) est un minéral industriel cristallin. Il s'agit d'un hybride céramique/métal dur, doté de propriétés semi-conductrices et d'excellentes caractéristiques abrasives, qui se targue d'avoir les taux de résistance/dureté les plus élevés de toutes les substances connues ; seuls le diamant, le nitrure de bore cubique et le carbure de tungstène le surpassent. En outre, l'inertie chimique du SiC le protège contre les alcalis, les acides et les alcalins, ce qui le rend adapté aux environnements alcalins, ainsi qu'aux températures, tensions et accélérations extrêmes.

Le carbure de silicium apparaît blanc-gris à l'état pur, mais sa teinte peut changer en fonction de la présence d'impuretés telles que l'azote et l'aluminium. Bien qu'il soit présent à l'état naturel dans les minéraux de moissanite, la majeure partie de la production de carbure de silicium se fait aujourd'hui de manière synthétique.

Edward Goodrich Acheson a conçu son procédé Acheson pour la première fois en 1891, alors qu'il tentait de produire des diamants artificiels. Aujourd'hui, ce procédé reste le moyen privilégié de produire du SiC. Il s'agit de mélanger du sable et du coke avant de les chauffer à haute température jusqu'à ce que leurs molécules réagissent, créant du dioxyde de silicium et du carbone. Une fois transformé en SiC, le produit peut être concassé, broyé, moulu ou criblé en différentes tailles en fonction de son application.

L'une des principales applications de l'alumine brute est la fabrication de meules utilisées pour la coupe et le meulage des métaux et des pierres, ainsi que pour la fabrication de produits de sablage, d'abrasifs appliqués, de céramiques et d'autres matériaux. La résistance de l'alumine à la corrosion, à l'abrasion et à la chaleur en fait un ingrédient inestimable.

Le carbure de silicium chimique peut également être utilisé pour produire du graphène, qui possède de nombreuses propriétés utiles telles que la capacité de conduire le courant électrique plus efficacement que le cuivre, ce qui en fait un substitut économique et très efficace aux matériaux conducteurs traditionnels tels que l'argent et l'or. En outre, les propriétés ignifuges et antidéflagrantes du carbure de silicium fritté en font un excellent choix pour la création de composants nécessitant des niveaux de sécurité plus élevés en raison de ses capacités d'extinction des incendies et de ses propriétés antidéflagrantes. Le carbure de silicium fritté est également fréquemment utilisé dans les composants d'étanchéité des véhicules en raison de sa résistance à la corrosion et à l'usure - en particulier ceux fabriqués à l'aide d'un carbure de silicium de qualité abrasive sont mieux à même de résister à l'érosion dans des circonstances extrêmes que les carbures de silicium de qualité standard lorsqu'ils sont appliqués dans des conditions d'érosion et d'usure.

Propriétés

Le carbure de silicium possède des propriétés thermiques et mécaniques exceptionnelles qui lui permettent d'être utilisé dans de nombreuses applications industrielles. L'une des principales céramiques industrielles, le carbure de silicium se distingue par sa résistance exceptionnelle à l'usure, ce qui en fait un choix populaire pour les outils de meulage et de coupe à usage intensif. Il est devenu l'un des principaux matériaux de l'ingénierie moderne en raison de ses nombreuses applications dans tous les secteurs.

Le carbure de silicium (SiC) est une poudre noire-grise à verte insoluble ou un matériau gris solide composé de carbure de silicium qui présente une résistance supérieure à l'eau, à l'alcool et aux acides, ce qui le rend adapté aux environnements difficiles qui pourraient rapidement user des matériaux moins durables. En raison de son inertie et de sa stabilité chimique, le SiC est un matériau de choix pour les outils de coupe, les isolateurs, les bougies d'allumage et les pièces de fours à haute température.

Edward Acheson a créé le carborundum pour la première fois en 1891 en utilisant un four électrique chauffé avec de l'argile (silicate de silicium) et du coke de charbon comme ingrédients pour former des cristaux bleus de ce composé, qui est aujourd'hui l'un des principaux matériaux céramiques industriels.

La composition chimique du carbure de silicium repose sur deux tétraèdres de coordination primaires qui contiennent quatre atomes de carbone liés entre eux et à des atomes de silicium centraux, créant ainsi des polytypes. Chaque polytype forme sa propre structure cristalline ; c'est pourquoi le carbure de silicium se présente sous de nombreuses formes.

À l'état pur, le carbure de silicium est un isolant électrique ; toutefois, l'ajout de certaines impuretés et de traitements de dopage lui confère des propriétés semi-conductrices ; par exemple, l'ajout de petites quantités d'aluminium permet de produire du carbure de silicium de type p.

Les fabricants créent généralement du carbure de silicium cubique en utilisant la méthode Lely ou le dépôt chimique en phase vapeur. Ces deux méthodes nécessitent beaucoup d'énergie, d'équipement et d'expertise pour réussir, mais elles permettent toutes deux de produire du carbure de silicium cubique de haute qualité, adapté à diverses applications. Le carbure de silicium cubique présente une conductivité thermique supérieure à celle de son cousin en silicium, ainsi qu'une résistance, une rigidité, une dureté et des capacités de tolérance à la température et à la tension supérieures à celles de son cousin en silicium.

Applications

Le carbure de silicium a de nombreuses utilisations industrielles en raison de ses propriétés impressionnantes de dureté, d'inertie chimique et de conductivité thermique. En outre, le carbure de silicium est un semi-conducteur aux propriétés électriques uniques.

La moissanite est un minéral extrêmement rare qui existe à l'état naturel, mais qui est le plus souvent fabriqué comme matériau abrasif sous forme de poudre ou de cristaux. Le matériau peut être pressé dans des gilets pare-balles en céramique résistants, comme inserts de gilets pare-balles résistants à l'usure, ou il peut être fondu pour former de grands cristaux uniques qui sont ensuite taillés en pierres précieuses connues sous le nom de pierres précieuses synthétiques en moissanite.

Edward Goodrich Acheson est à l'origine de la première production à grande échelle de carbure de silicium en 1891. À l'aide d'un four électrique, il a chauffé un mélange de sable siliceux et de coke pendant plusieurs heures pour atteindre des températures supérieures à 2 500 degrés Fahrenheit, produisant une masse bleu-noir qui a ensuite été broyée pour devenir du carbure de silicium.

De nos jours, les abrasifs en carbure de silicium sont souvent appelés carbure de silicium noir (BSC). Contenant environ 98,5% de carbure de silicium, il est plus durable et utilisé pour le meulage de matériaux à faible résistance à la traction comme le fer froid, le verre, le marbre et le granit, ainsi que les métaux non ferreux comme les matériaux réfractaires et les métaux non ferreux comme les métaux non ferreux, ainsi que les matériaux plus fragiles comme la fonte et l'acier.

En raison de sa résistance à la dilatation thermique et de sa grande solidité à des températures allant jusqu'à 1800 degrés Fahrenheit, l'acier est largement utilisé dans des applications telles que le grenaillage, les outils de coupe, les scies à fil et les mèches, ainsi que dans la fabrication de produits réfractaires tels que les parois de chaudières, les briques à carreaux et les moufles, sans oublier les supports de fours de cuisson de la céramique !

Les produits granulaires en poudre comme le carbure de silicium peuvent être usinés à l'aide d'outils diamantés et d'ultrasons, ou frittés en blocs solides à l'aide de procédés de traitement thermique tels que le sonar à haute fréquence. En outre, la réaction avec du silicium gazeux dans un four à arc électrique produit un matériau de carbure de silicium lié par réaction, qui peut ensuite être affiné par dépôt chimique en phase vapeur, créant ainsi des couches minces utilisées dans des dispositifs électroniques tels que les transistors et les cellules solaires.

Marché

Le carbure de silicium (SiC) est un composé synthétique dur de silicium et de carbone qui existe à l'état naturel sous la forme d'un minéral rare, la moissanite, mais qui est produit en masse sous forme de poudre ou de cristaux depuis 1893. Le carbure de silicium est utilisé comme abrasif, plaques céramiques pour la production de gilets pare-balles, freins et embrayages automobiles, ainsi que des céramiques extrêmement dures ayant de nombreuses utilisations industrielles ; les grains de SiC peuvent même être assemblés à l'aide de techniques de frittage pour former des céramiques extrêmement dures ayant d'autres utilisations dans divers domaines industriels - modules de puissance MOSFET utilisés comme matériau semi-conducteur pour réduire les pertes d'énergie tout en augmentant considérablement l'efficacité.

La demande de carbure de silicium devrait augmenter dans l'industrie des véhicules électriques en raison de l'adoption mondiale de la technologie zéro émission. L'électronique de puissance basée sur le carbure de silicium permet aux véhicules électriques de se recharger plus rapidement et d'avoir une plus grande autonomie, ce qui les rend plus attrayants que les voitures à carburant. Les lois gouvernementales limitant les émissions de gaz à effet de serre favorisent également leur adoption.

Le carbure de silicium est fabriqué et vendu par plusieurs entreprises sous forme de grains, de poudres et de plaquettes. Sa popularité est due à ses propriétés exceptionnelles de conductivité thermique, de solidité, de résistance à la corrosion et à l'usure, ainsi qu'à ses performances supérieures qui lui permettent de surpasser les matériaux standard dans certaines applications.

La concurrence sur le marché du carbure de silicium est intense, les principaux acteurs tels que SK Siltron investissant massivement dans l'innovation et l'expansion des produits afin de stimuler la croissance des revenus et de gagner des parts de marché. Ils emploient également des méthodes de R&D pour tenter d'introduire de nouveaux services susceptibles de leur donner un avantage sur leurs concurrents et de leur faire gagner de nouveaux marchés. Récemment, ils ont augmenté la capacité de production de leur usine de Bay City, aux États-Unis, qui peut produire 100 000 plaquettes par an.

La croissance du marché du carbure de silicium peut être limitée par ses matières premières coûteuses et difficiles à obtenir. En outre, la fabrication nécessite des températures élevées, ce qui augmente considérablement les coûts tout en limitant la disponibilité sur les marchés sensibles aux prix.