Carbeto de silício infiltrado de silício

O carbeto de silício (SiC) é um dos materiais cerâmicos mais duros e leves. Usado principalmente como isolante elétrico, o SiC também pode ser dopado com nitrogênio, fósforo ou boro para criar condutores de vários tipos.

Imagens de seção transversal de SEM de pré-formas de carbono poroso fabricadas usando várias frações de massa e tamanhos de partículas de pó de grafite TIMREX KS 25 infiltradas com liga Si-Zr quase eutética a 1500 graus Celsius são exibidas aqui. As faixas da fase rica em Zr observadas nessas pré-formas confirmam as previsões analíticas.

Alta rigidez específica

O carbeto de silício infiltrado (SiSiC) é um material cerâmico industrial que se destaca pela alta rigidez específica, baixo coeficiente de expansão térmica e excepcional resistência química, à oxidação e ao choque térmico. Além disso, esse material apresenta excelentes propriedades tribológicas. O SiSiC é produzido por meio da infiltração de pré-formas de carbono poroso com silício fundido, a fim de iniciar uma reação exotérmica entre as moléculas de carbono e as moléculas de silício, formando um composto denso.

Abaixo estão várias micrografias de pré-formas totalmente infiltradas em diferentes ampliações, usando microscopia óptica polida. No caso do SiCp/C, o carbono não reagido pode ser visto junto com o Si formado pela reação, bem como o carbono não reagido que ainda não reagiu, enquanto a maior parte da pré-forma permanece coberta por uma camada ininterrupta de Si.

As pré-formas de Cf/C diferem significativamente por terem quase todo o carbono amorfo substituído por uma camada uniforme de Si, deixando apenas pequenas quantidades de fibras de carbono remanescentes; esse fato é evidenciado pela cinética de infiltração mais lenta e pela capacidade aprimorada de redução do diâmetro dos poros.

Baixa resistência elétrica

O carbeto de silício (SiC) é amplamente utilizado em eletrônicos semicondutores devido ao seu alto ponto de fusão, baixa temperatura de sinterização e propriedades de alta condutividade. Além disso, ele oferece estabilidade em altas temperaturas sem sofrer oxidação. O carbeto de silício infiltrado (SiSIC), um material alternativo com propriedades físicas semelhantes, mas com temperaturas de sinterização mais baixas, que produz menos poros, permite a produção de peças maiores e com formatos mais complexos, além de ser mais econômico do que a tecnologia tradicional de sinterização de pó.

A 1500 ºC e 1700 ºC, pré-formas porosas de carbono com várias frações de massa de pó de grafite e tamanhos de partículas foram infiltradas com liga de Si-Zr quase eutética para produzir estruturas densas de Si-Zr-SiC. As seções transversais do HR-SEM mostraram que a profundidade da infiltração dependia não apenas das forças capilares que puxavam o fundido infiltrado para os poros da pré-forma, mas também da reação química entre o silício fundido a 1500degC e o pó de grafite, que reduzia a permeabilidade da rede, diminuindo a profundidade da infiltração para determinadas porosidades. Portanto, à medida que a fração de massa de grafite aumenta, o comprimento da infiltração também deve aumentar para determinadas porosidades.

Resistência a altas temperaturas

O carbeto de silício é excelente na resistência à corrosão, à abrasão e à erosão, o que o torna a escolha ideal de material para aplicações em altas temperaturas. Além disso, sua baixa taxa de expansão térmica e suas propriedades de dureza o tornam adequado para componentes grandes, como sensores de termopar.

Os RCs infiltrados se mostraram muito bem-sucedidos em vários experimentos científicos. Exemplos notáveis incluem o uso de discos espelhados de SiC pelo Telescópio Espacial Herschel; devido às suas propriedades de alta resistência, eles são adequados para temperaturas que chegam a 1.400 graus Celsius.

A 1500-1700 graus Celsius, as pré-formas porosas de carbono contendo várias quantidades de pó de grafite foram infiltradas com silício líquido a 1500-1750 graus Celsius para infiltração. As seções transversais de SEM mostraram que o bloqueio dos poros ocorreu principalmente pela precipitação de silicetos de zircônio sólidos na frente de infiltração; ao aumentar a fração de massa de grafite e/ou diminuir a temperatura de infiltração, ambos melhoraram significativamente a infiltração, deixando ainda algumas áreas centrais com grandes quantidades de porosidade não infiltrada que não puderam ser preenchidas apenas com silício líquido.

Alta resistência

O carbeto de silício (SiC) é um composto químico inorgânico duro com propriedades semicondutoras de banda larga, comumente encontrado naturalmente como a gema moissanita; entretanto, as formas de pó e cristal produzidas em massa para uso como abrasivo são amplamente produzidas comercialmente como abrasivo. O SiC apresenta resistência mecânica e tenacidade à fratura superiores, bem como boas propriedades tribológicas em temperaturas mais altas; além disso, oferece boas propriedades de resistência química e à oxidação, o que o torna adequado para uso em altas temperaturas.

A infiltração de silício líquido em pré-formas porosas de SiC-C é uma técnica inovadora usada para produzir cerâmicas densas com maior resistência à compressão e à flexão do que a obtida com o tradicional SiC ligado por reação (RBSC). Para realizar esse feito, vários parâmetros devem ser modificados, como a distribuição da porosidade, a estrutura dos poros e o uso da fonte de carbono. A engenharia de gradação de partículas multimodais e o uso de aditivos de nanocarbono preto são usados para alcançar esse resultado (Fig.). As imagens de seção transversal de SEM das amostras infiltradas mostram sua eficiência (Fig.). Com uma fração de massa de grafite de 5-30%, foi possível obter amostras com distribuição uniforme da fase rica em Zr e porosidade residual mínima. As amostras com fração de massa de grafite de 30 têm áreas centrais que permanecem infiltradas com liga de Si-Zr quase eutética.