Qu'est-ce que le carbure de silicium ?

Le carbure de silicium est l'un des matériaux les plus durs connus, avec une dureté de Mohs supérieure à celle du diamant. En outre, ses propriétés mécaniques comprennent d'excellentes valeurs de résistance à la traction et de module d'Young.

Les propriétés électriques du graphène comprennent une mobilité des électrons à saturation et une résistance à la rupture de tension élevées, ce qui le rend adapté à l'électronique de haute performance telle que les onduleurs.

Composition chimique

Le carbure de silicium (SiC) est un alliage composé de carbone et de silicium avec des structures de liaison covalentes. Le SiC peut être produit en faisant réagir un mélange de carbone et de silice dans des fours à résistance électrique à des températures comprises entre 1700 et 2500 degrés Celsius ; on obtient ainsi un lingot cylindrique solide composé de graphite, de SiC alpha, de SiC bêta de qualité métallurgique, ainsi que de tout matériau n'ayant pas réagi sur ses surfaces extérieures.

Le SiC est une forme cristalline jaune, verte ou noire bleutée, d'une densité de 3,21 g cm-3, qui subit une sublimation à 2700 degrés Celsius ; il peut également se dissoudre dans des solutions alcalines liquides et des solutions solubles dans le fer.

Le SiC est un matériau polycristallin dont la microstructure interne varie en fonction de son type polycristallin et de sa méthode de formation, et dont les propriétés sont très variées. L'une des principales différences entre les polymorphes a-SiC et b-SiC réside dans leurs systèmes cristallins respectifs : wurtzite hexagonale pour l'a-SiC et carbure de tungstène rhomboédrique (WC) respectivement - bien que ce dernier ait un point de fusion plus bas de 1875 degrés Celsius que son homologue, ce qui en fait le choix le plus populaire parmi ces polymorphes.

Propriétés physiques

Le SiC cristallin est constitué d'atomes de silicium et de carbone disposés dans une structure de réseau tridimensionnelle qui forme des liaisons covalentes entre les couches, ce qui confère à ce matériau des points de fusion élevés et une résistance à l'oxydation interne tout en contribuant à sa dureté.

Les propriétés électriques du SiC cristallin dépendent de son polytype (cubique, hexagonal ou rhombique). Chaque polytype présente des propriétés électroniques semi-conductrices distinctes en raison des différents arrangements des atomes de Si et de carbone dans son réseau cristallin.

Dans un processus de production typique, le SiC pur est sublimé à haute température dans une atmosphère d'argon, puis cristallisé sur des cristaux de semence à l'aide du processus de Lely, créant ainsi des cristaux uniques qui sont ensuite traités pour des applications d'électronique de puissance à l'aide d'étapes de processus bien établies.

Propriétés mécaniques

Les propriétés de dureté et de résistance à l'usure du carbure de silicium en font un excellent matériau abrasif dans la lapidairerie moderne. En outre, le carbure de silicium a également été utilisé comme matériau de revêtement réfractaire dans les fours industriels, ainsi que pour la fabrication de meules et d'outils de coupe.

Les propriétés mécaniques du SiC varient considérablement en fonction des processus de formation et de cuisson, de la taille des grains, de la pureté, de la stœchiométrie et de la structure des pores dans son corps densifié. La température a une influence considérable sur ces caractéristiques, qui peuvent même varier considérablement d'une source à l'autre.

Le module d'Young du SiC dense est d'environ 400-450 GNm-2 à 20 degrés Celsius et de 360-400 GNm-2 à 1500 degrés Celsius ; sa résistance au cisaillement représente la moitié de cette valeur ; la résistance à la flexion peut être difficile à mesurer pour ces matériaux ; les valeurs rapportées dans la littérature se situent entre 500-660 MNm-2 à 20 degrés Celsius et environ 5000-6000 MNm-2 à 1500 degrés Celsius ; la résistance au fluage est excellente, tandis que les niveaux de contrainte de tension doivent rester dans des limites raisonnables pour éviter l'apparition de fissures et de fractures.

Propriétés électriques

Le carbure de silicium est capable de résister à des températures élevées et à des réactions chimiques, offrant ainsi une protection contre la dégradation dans les environnements difficiles. Malheureusement, ce matériau cassant et dur présente une résistance à la traction à température ambiante d'environ 4GPa (Engineering Property Data' 1979).

Le SiC est connu pour sa conductivité électrique supérieure et sa faible résistance ; il convient donc aux applications électroniques de puissance et de radiofréquence, avec une faible résistivité et une mobilité électronique à saturation élevée qui peuvent être exploitées à bon escient. En outre, la durabilité du SiC s'étend à la résistance aux rayonnements et aux chocs thermiques, ainsi qu'à la durée de vie.

Les fabricants utilisent divers procédés pour produire du SiC cubique. L'une des méthodes consiste à utiliser du SiC lié par réaction, produit en mélangeant du carbone en poudre avec un plastifiant et en le cuisant ; une infusion ultérieure peut alors ajouter du silicium gazeux ou du carbone fondu pour former davantage de SiC. Une autre approche utilise le dépôt chimique en phase vapeur, où des gaz pénètrent dans une chambre à vide avant d'être déposés sur des substrats pour la croissance ; cette technologie s'est avérée populaire dans l'industrie des semi-conducteurs.