As propriedades exclusivas do carbeto de silício

O carbeto de silício é reconhecido há muito tempo por suas propriedades exclusivas. Sua notável alta resistência à fratura e resistência à flexão resultam de fortes ligações covalentes entre os átomos de silício em sua estrutura cristalina e os átomos de carbono em sua estrutura cristalina, criando valores impressionantes de resistência à fratura e resistência à flexão.

Esse material pode suportar temperaturas de até 1600degC, enquanto sua camada protetora de óxido o protege da oxidação do ar e de outras reações químicas. Além disso, sua estrutura resiliente gerencia com sucesso a corrosão, a abrasão e a erosão, bem como o estresse mecânico.

Condutividade térmica

O carbeto de silício é um material extremamente duro que conduz energia térmica com eficiência. É uma das cerâmicas industriais mais usadas, pois suas propriedades permitem a fabricação avançada em uma série de aplicações, como abrasivos, refratários e cerâmicas estruturais. O carbeto de silício é excelente na resistência à corrosão, à abrasão, à erosão e ao desgaste por atrito, além de apresentar um módulo de Young excepcional que permite que ele permaneça intacto mesmo sob condições de alta tensão. Além disso, ele apresenta baixa expansão térmica e é extremamente resistente a ácidos e lixívias.

O carbeto de silício é formado pela fusão de sílica e carbono em um forno elétrico - conhecida como carbo-síntese - produzindo um pó que pode ser unido usando a tecnologia de sinterização, criando abrasivos ou cerâmicas de alto desempenho e até mesmo estruturas como lâminas de turbinas de motores a jato.

A moissanita foi identificada pela primeira vez como minério em 1893, na cratera do meteoro Canyon Diablo, no Arizona, embora até recentemente todo o SiC vendido no mundo fosse produzido sinteticamente. Embora a cor das formas naturais varie do marrom ao preto, os produtos industriais apresentam um brilho semelhante ao arco-íris que lembra o diamante. O SiC às vezes é chamado de coríndon ou carboríndon; no entanto, esse termo se refere a variedades específicas de moissanita tratadas para criar gemas semelhantes a diamantes.

Embora a composição química do carbeto de silício permaneça consistente em todos os seus polítipos, suas estruturas cristalinas diferem, alterando suas propriedades elétricas e térmicas. Um motivo para essas variações pode ser a dispersão de impurezas elétricas, em que anomalias locais na estrutura cristalina reduzem o movimento de elétrons livres dentro do material, afetando negativamente a condutividade.

O carbeto de silício se destaca desses efeitos devido à sua excelente condutividade térmica e ao curto caminho livre médio de seus elétrons livres, criando uma alta condutividade térmica para esse material. Além disso, seu alto módulo de Young e a excelente condutividade térmica o tornam adequado para aplicações em temperaturas mais altas, como bicos de queimadores de gás.

Resistência à corrosão

O carbeto de silício é um material cerâmico industrial extremamente forte e resiliente, conhecido por resistir à corrosão em uma ampla variedade de ambientes. Com alta resistência à compressão, à tração e à flexão, bem como excelente condutividade térmica e baixas taxas de expansão térmica. A resistência à corrosão do carbeto de silício o torna adequado para uso em refratários, componentes termoestruturais e sistemas de geração de energia, enquanto sua baixa seção transversal de nêutrons e resistência a danos por radiação o tornam útil em aplicações de reatores nucleares.

A resistência à corrosão do carbeto de silício decorre de sua forte estrutura de ligação covalente tetraédrica. Os átomos de silício nos cristais de SiC compartilham pares de elétrons em orbitais híbridos sp3, o que proporciona ligações significativamente mais fortes do que no óxido de silício (um importante composto que contém oxigênio). Além disso, as fortes ligações do carbeto de silício também dificultam a passagem de íons por sua estrutura cristalina, ajudando a evitar reações químicas em sua superfície que poderiam enfraquecê-lo com o tempo.

A resistência do carbeto de silício é aumentada ainda mais por sua resiliência; em particular, essa resistência é amplificada por uma camada protetora de óxido em sua superfície, que atua como um amortecedor, impedindo quaisquer reações diretas entre o substrato de SiC e as espécies agressoras e essa camada; além disso, essa camada pode até mesmo reagir sacrificialmente com essas espécies agressoras para reabastecer o suprimento de oxigênio - explicando, assim, a cinética de reação parabólica encontrada tanto no carbeto de silício quanto no nitreto de silício devido a essa barreira protetora de óxido.

A corrosão é um fenômeno multifacetado com muitos fatores contribuintes que podem ter sérias repercussões para os materiais ao longo de sua vida útil. A corrosão reduz a resistência do material ao criar falhas que aumentam a vulnerabilidade sob estresse mecânico ou térmico e pode alterar sua composição química ao liberar contaminantes no ambiente.

As cerâmicas refratárias, como o carbeto de silício, devem ter excelente resistência à erosão e à corrosão para uso em fornos e trocadores de calor que operam em temperaturas muito altas, como fornos ou trocadores de calor que utilizam oxigênio seco, vapores gasosos quentes, misturas de sais fundidos, metais e escórias de carvão - sem esquecer as tensões induzidas termicamente - para suportar condições adversas sem rachaduras sob ciclos de temperatura. Além disso, os baixos coeficientes de expansão também devem ajudar a evitar fraturas em condições de ciclo de temperatura.

Resistência ao desgaste

O carbeto de silício é um material excepcionalmente duro, com notável resistência ao desgaste, reforçada por sua excelente tenacidade à fratura - que reflete a resistência à propagação de trincas sob tensão - e valores de módulo de Young/resistência à flexão que demonstram suas excelentes propriedades mecânicas.

Selecionada por sua alta densidade e dureza, a cordierita é um material ideal para aplicações que exigem resistência à abrasão, como retificação. Como um dos materiais mais duros da Terra, a cordierita pode suportar impactos significativos e danos por desgaste sem mostrar sinais de fraqueza; além disso, sua excepcional resistência à compressão contribui significativamente para sua resistência ao desgaste, enquanto sua notável resistência à flexão permite que ela resista à flexão - um recurso essencial para muitas aplicações resistentes ao desgaste.

A durabilidade química do carbeto de silício o torna uma opção inestimável para muitas aplicações, protegendo-o contra abrasão, corrosão e outras reações prejudiciais. A 1200degC, ele forma uma camada protetora de óxido de silício para se proteger da oxidação ou de outras reações potencialmente perigosas e é resistente a ácidos orgânicos e inorgânicos, álcalis e sais. Além disso, sua estabilidade química oferece suporte essencial para a operação em condições extremas.

A resistência ao desgaste é uma qualidade essencial para qualquer material sujeito a forças abrasivas. O carbeto de silício é excelente em resistir a essas forças, muito além dos materiais de alumínio ou aço, o que o torna o material preferido em ambientes industriais e de mineração. Além de ter uma resistência superior à abrasão, o carbeto de silício também apresenta propriedades impressionantes de resistência ao impacto.

Além disso, tem uma excepcional resistência à fratura e módulo de elasticidade, o que a torna capaz de suportar impactos sem rachar sob pressão. Infelizmente, porém, seu coeficiente de expansão térmica é menor do que o da cerâmica de zircônia estrutural, o que a deixa suscetível a choques térmicos.

O carbeto de silício ligado a nitreto oferece uma resistência ao desgaste significativamente superior à dos tipos de aço comumente empregados para o trabalho no solo, incluindo o aço XAR 600 e o aço pós-martensítico B27; três vezes melhor do que a solda de estofamento F-61 e cinco vezes maior em solo leve com partículas soltas de areia. Além disso, esse material apresenta a melhor resistência à abrasão de todos os materiais quando há condições de trabalho em solo leve.

Condutividade elétrica

O carbeto de silício se destaca como um material indispensável em tecnologias modernas e aplicações industriais devido à sua capacidade de resistir a condições extremas, o que o torna um componente essencial em várias tecnologias e processos industriais. Sua combinação de dureza, estabilidade térmica, resistência química e condutividade elétrica o torna um material versátil e essencial nas aplicações de alto desempenho atuais.

O SiC é um material extremamente duro e durável devido à ligação entre seus átomos de silício e carbono, formando fortes ligações tetraédricas em sua estrutura cristalina, o que o torna altamente duro, resistente e resiliente. Capaz de suportar temperaturas extremamente altas, com sua resistência à tração superior a 4.000 MPa e o módulo de Young superior a 400 GPa, respectivamente, além de ter uma tensão de ruptura extremamente alta, o que significa que pode suportar campos elétricos fortes sem se romper prematuramente.

A natureza robusta do carbeto de silício lhe confere uma série de usos em termos de controle de erosão e resistência à abrasão, e a blindagem de nível militar o utiliza amplamente. Devido à sua dureza, os blocos cerâmicos de carbeto de silício formados a partir dessa substância podem suportar impactos de balas; daí sua popularidade como material de construção; moinhos, corpos de queimadores, trituradores, expansores e bicos podem ser feitos com essa substância cerâmica.

O carbeto de silício puro é normalmente um isolante elétrico; no entanto, com a adição de dopantes, como alumínio, boro e gálio, ele pode se tornar eletricamente condutor. Quando o dopante é adicionado ao nitrogênio ou ao fósforo, o material se torna um semicondutor do tipo N.

Devido às concentrações mais altas de oxigênio e nitrogênio do a-SiC, sua condutividade inerente é substancialmente menor do que a do n-SiC. Para remediar essa deficiência, um tratamento oxidante em sua superfície produz uma camada passivadora de SiO2, aumentando significativamente a condutividade elétrica.

A condutividade elétrica do carbeto de silício poroso depende de sua porosidade e do tamanho dos poros, sendo que os poros maiores têm menor condutividade. Um modelo matemático foi desenvolvido para calcular a resistividade elétrica de vários níveis de compósitos de a-SiC com vários níveis de porosidade usando esses dados; suas previsões correspondem com precisão às descobertas experimentais, o que o torna adequado para projetar produtos futuros com resistividade elétrica controlada.