Densité et applications du carbure de silicium

Le carbure de silicium, également appelé carborundum, est un composé de silicium et de carbone purs. Ce matériau céramique possède de nombreuses propriétés utiles, notamment une résistance à l'abrasion, une stabilité à haute température et des capacités de semi-conducteur à large bande interdite.

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Dureté élevée

Le carbure de silicium est l'un des matériaux céramiques les plus durs. En outre, sa dureté reste relativement inchangée à des températures élevées, ce qui le rend adapté aux applications à haute température telles que les éléments chauffants à haute température dans les générateurs d'infrarouge lointain et les réacteurs chimiques. En outre, le carbure de silicium résiste bien à l'usure due aux forces de frottement, ce qui le rend adapté aux garnitures mécaniques utilisées dans les systèmes de pompage et idéal pour le sablage des buses d'injection et des éléments chauffants dans les générateurs d'infrarouges lointains.

La production de carbure de silicium implique généralement la fusion à haute température de matières premières telles que le sable de quartz et le coke de pétrole (ou de charbon) dans un four à résistance, produisant du carbure de silicium vert qui est ensuite broyé sous forme de poudre avant d'être comprimé en granulés, puis broyé et purifié pour obtenir le produit final.

Le SiC granulé est soit lié par réaction, soit directement fritté pour produire différentes qualités. La liaison par réaction permet d'obtenir des coûts plus faibles mais un grain plus grossier pour des températures d'utilisation et une résistance à l'usure plus élevées que le frittage direct. Le dépôt en phase vapeur est un moyen efficace de produire des formes plus pures du matériau pour certaines applications, en produisant une microstructure plus cohérente avec des impuretés réduites, ce qui améliore la dureté aux radiations. La grande dureté aux radiations du SiC le rend particulièrement avantageux dans les applications électroniques où sa structure atomique contribue à la diffusion des électrons et des protons sur les surfaces, ainsi qu'à la prolongation de la durée de vie des appareils lorsqu'ils sont exposés à des radiations prolongées.

Conductivité thermique élevée

Le carbure de silicium est un matériau extrêmement conducteur de chaleur. Il conduit quatre fois plus de chaleur que le carbure de bore et plus de dix fois plus que le diamant, grâce à ses atomes de carbone qui forment une liaison covalente avec un atome de silicium au centre de sa structure cristalline - ce qui en fait un excellent choix pour les applications à haute température.

En outre, le matériau céramique est très résistant à la corrosion et peut supporter les environnements chimiques difficiles que l'on peut rencontrer dans les installations de production de papier, de technologie de l'énergie et de traitement de l'acier. En outre, son point d'ébullition et son point de fusion peu élevés en font un matériau céramique sûr.

Le verre sodocalcique (SOG) peut être dopé à l'azote ou au phosphore pour former un semi-conducteur de type n, tandis que le béryllium, le bore, l'aluminium et le gallium peuvent être ajoutés pour des applications de type p. Le SOG est souvent préféré au nitrure de silicium (SiN) en raison de sa plus grande surface.

Le silicone n'est pas seulement un conducteur thermique exceptionnel, c'est aussi un matériau de renforcement inestimable pour les composites en caoutchouc. Le silicone peut augmenter la rigidité et la résistance à l'abrasion du caoutchouc tout en réduisant le temps et la température de vulcanisation ; en outre, il peut réduire l'énergie nécessaire à la vulcanisation en dispersant plus uniformément l'agent de vulcanisation dans l'ensemble du composé - des qualités idéales qui rendent ce matériau parfait pour la production de pneus, de revêtements industriels et d'autres applications dans des conditions exigeantes.

Bande passante large

Le carbure de silicium possède une bande interdite plus large que les matériaux semi-conducteurs conventionnels, ce qui en fait le matériau idéal pour les dispositifs de puissance qui exigent des températures de fonctionnement élevées, des fréquences de commutation plus importantes et une efficacité énergétique accrue. En outre, le carbure de silicium constitue un excellent choix de matériau pour la construction de circuits intégrés (CI) destinés à faciliter l'électronique de puissance, les composants informatiques, les systèmes RF, les progrès optoélectroniques, etc.

Sa structure unique comprend des couches hexagonales d'atomes de silicium et de carbone disposées en réseaux cubiques à faces centrées (FCC). La liaison atomique confère à ce matériau une force de liaison exceptionnellement élevée, créant des réseaux covalents sur toute sa surface, ce qui permet d'obtenir une bande interdite exceptionnellement large de 3,26 eV.

De larges bandes interdites permettent d'augmenter l'excitation des paires électron-trou dans un matériau et de former des photons en se recombinant avec les paires électron-trou ; la lumière ainsi produite est connue sous le nom de luminescence.

Les semi-conducteurs WBG présentent des tensions de claquage élevées qui leur permettent de fonctionner efficacement à des températures plus élevées, ce qui se traduit par une densité de puissance accrue et une efficacité supérieure. Par conséquent, les dispositifs de puissance basés sur le carbure de silicium peuvent être construits en utilisant des dissipateurs thermiques et des systèmes de refroidissement plus petits, ce qui permet d'obtenir des facteurs de forme plus compacts.

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Léger

Le carbure de silicium est un matériau extrêmement dur et flexible, capable de résister à des températures et des contraintes élevées tout en restant léger, ce qui le rend adapté à diverses applications. Le carbure de silicium est présent dans des matériaux composites tels que le carbure de silicium renforcé de fibres de carbone (CFRC), que l'on trouve dans les freins automobiles, ainsi que dans les plaques de céramique utilisées pour les gilets pare-balles. En outre, le blindage Chobham, utilisé par les véhicules militaires pour résister aux tirs ennemis, est également constitué de carbure de silicium capable de résister aux impacts à grande vitesse des armes ennemies.

Le SiC présente une excellente résistance à la corrosion et peut fonctionner dans des environnements difficiles sans subir de dommages, tels que les environnements à haute température et la présence de produits chimiques tels que l'acide fluorhydrique, le fluorure de sodium et l'acétone. En outre, sa résistance reste intacte même en présence de niveaux d'humidité élevés, sans dégradation de son intégrité.

À l'état pur, le carbure de silicium agit comme un isolant, mais il peut devenir conducteur d'électricité grâce à l'ajout contrôlé d'impuretés, appelées dopants. Le dopage à l'aluminium, au bore ou au gallium crée un semi-conducteur de type p, tandis que l'ajout de dopants à l'azote ou au phosphore donne un semi-conducteur de type N qui peut atteindre la supraconductivité dans certaines circonstances.

Le carbure de silicium est un matériau indispensable à la recherche et à la production de matériaux avancés. Grâce à ses propriétés supérieures, le carbure de silicium peut remplacer les semi-conducteurs en silicium dans des applications électroniques exigeantes telles que l'électronique de puissance pour les véhicules électriques terrestres ou les instruments sur les véhicules d'exploration spatiale tels que les rovers ou les sondes (Mantooth, Zetterling & Rusu). En outre, la fiabilité et l'efficacité à long terme de ce matériau en font un excellent candidat pour les systèmes d'énergie solaire qui exigent une fiabilité et une efficacité à long terme (Mantooth et al).