Como o carbeto de silício se liga ao carbeto de silício?

O carbeto de silício é um material extremamente duro e durável, com excepcional resistência à corrosão, resistência ao desgaste e condutividade térmica, além de servir como um material semicondutor eficaz.

O carbeto de silício sinterizado oferece muitas propriedades atraentes que o tornam adequado para aplicações de vedação, incluindo inércia química, estabilidade em altas temperaturas e um baixo coeficiente de expansão.

Propriedades físicas

O carbeto de silício (SiC), um pó preto-acinzentado a verde ou um material cinza sólido, é quimicamente inerte, resistindo à corrosão em ambientes agressivos. Além disso, a densidade do SiC o torna menos denso que os materiais cerâmicos, mas mais denso que alguns metais; devido a essas características físicas, o SiC é ideal para aplicações sujeitas a altas tensões térmicas, mecânicas e elétricas.

A estrutura cristalina primária do SiC é hexagonal, com unidades tetraédricas compactadas e covalentemente unidas por ligações covalentes. Como seus átomos constituintes têm valores de eletronegatividade semelhantes, os elétrons compartilhados, em vez de transferidos, formam ligações covalentes entre os átomos de silício e de carbono, que formam ligações covalentes dentro de cada tetraedro, formando sua parte central, criando estruturas politípicas com várias propriedades químicas e elétricas.

Em geral, o Si-C é resistente a altas temperaturas, embora em temperaturas muito altas sua estrutura tetraédrica possa sofrer mudanças de fase devido à oxidação, formando filmes de SiO2 que reduzem a condutividade térmica e aumentam o ponto de fusão; essas camadas de filme podem precisar ser removidas para expor sua forma tetraédrica original e restaurar a ductilidade do material.

As propriedades duráveis e a baixa taxa de expansão do SiC fazem dele uma escolha popular para componentes cerâmicos encontrados em fornos industriais, trocadores de calor, motores de foguete e dispositivos semicondutores. As cerâmicas refratárias e estruturais fabricadas com SiC também encontraram ampla aplicação; sua dureza faz dele um importante abrasivo usado em rebolos e ferramentas de corte; serve como material essencial em revestimentos refratários de fornos industriais, bem como em peças resistentes ao desgaste de bombas e motores de foguetes - e até mesmo forma componentes-chave na missão bepiColombo da Europa para Mercúrio!

O carbeto de silício ligado por reação (RB SiC) é um material multifásico composto de silício metálico 7-15% e carbono não reagido, cuja densidade o torna adequado para aplicações em altas temperaturas, onde sua resistência à oxidação e à deformação o torna particularmente valioso. O SiC ligado por reação está disponível comercialmente, o que torna esse tipo de SiC facilmente moldável em vários formatos e tamanhos.

Propriedades químicas

O carbeto de silício é um composto excepcionalmente estável e um dos materiais mais duros conhecidos. Com alta resistência química e condutividade térmica, o carbeto de silício é uma excelente opção para o processamento industrial de produtos químicos agressivos, mas também é inerte até altas temperaturas, tem baixa expansão térmica e funciona como um semicondutor - propriedades que o tornam adequado para aplicações tão variadas quanto ferramentas de corte, materiais estruturais (coletes à prova de balas), peças automotivas (discos de freio), para-raios, materiais de espelho em telescópios astronômicos etc.

O SiC é um cristal hexagonal compactado, composto de tetraedros centrados em átomos de silício ou carbono, conectados por meio de ligações covalentes ou ligações simples, respectivamente. O SiC é classificado como um semicondutor de banda larga; como tal, os elétrons precisam de mais energia para entrar em sua banda de condução do que seria necessário em condutores metálicos como o cobre; essa propriedade torna o SiC uma solução inestimável de remoção de calor, essencial para a maioria dos dispositivos eletrônicos.

Essa substância é inerte, estável e não inflamável - características que destacam sua estabilidade e inércia - com um coeficiente de expansão térmica extremamente baixo. O sólido ou pó cinza a preto-acinzentado não emite cheiro e pesa significativamente menos do que a maioria das cerâmicas ou metais, embora ainda seja mais denso do que eles.

Os métodos modernos de fabricação de compostos de sílica-carbono envolvem a mistura de areia de sílica pura com carbono na forma de coque moído em um forno elétrico e a submissão ao calor intenso e à corrente elétrica por vários dias; as temperaturas podem chegar a 2.500degC durante esse processo.

Com esse método, é possível fabricar várias composições químicas, como a-SiC e b-SiC, ambas com amplas aplicações em eletrônica. Os polímeros fabricados por esse processo também podem ser adaptados especificamente para uso eletrônico, dopando-os com impurezas - uma etapa essencial em processos de fabricação como esse. O B-SiC oferece uma tensão de ruptura menor do que o a-SiC, mas tem maior mobilidade de elétrons.

Propriedades mecânicas

A composição química do carbeto de silício permite que ele forme um material robusto com altas classificações de dureza Mohs (próxima à do diamante), propriedades térmicas e inércia química, o que o torna adequado para muitas aplicações que exigem resistência a altas temperaturas e resistência contra corrosão e ataques químicos. Essas qualidades tornam o carbeto de silício ideal para aplicações que também exigem resistência à corrosão.

O SiC é único porque a ligação entre os átomos de silício e carbono é covalente, e não iônica, devido às suas eletronegatividades semelhantes, resultando no compartilhamento de elétrons entre os átomos, e não na transferência completa, como aconteceria com as ligações iônicas. Essa estrutura é responsável por sua excepcional resistência, bem como pela tolerância a altas temperaturas.

A produção de carbeto de silício ligado por reação é uma das várias maneiras de produzir carbeto de silício, com essa abordagem produzindo material multifásico contendo partículas de carbeto de silício de grau refratário mantidas juntas com material de matriz cerâmica e conhecidas como Reactive Bonded SiC (RB SiC) por seu fabricante, contendo entre 7-15% de silício metálico, dependendo do fabricante. O SiC ligado por reatividade é amplamente utilizado em muitas aplicações em que suas propriedades refratárias são necessárias, desde revestimentos de fornos até produtos resistentes ao desgaste.

A ligação por hidróxido, um novo processo inovador usado para produzir SiC, oferece várias vantagens em relação aos métodos mais tradicionais para a produção desse material, incluindo a capacidade de ligar o carbeto de silício a materiais como safira e alumínio.

A dureza inerente e a resistência a altas temperaturas do carbeto de silício permitem que ele tenha muitos usos industriais benéficos, sendo a retificação, o brunimento e o corte por jato de água apenas alguns exemplos de suas muitas aplicações. Como tem excepcional resistência ao desgaste, também se tornou popular no trabalho lapidário moderno devido à sua durabilidade. Além disso, devido às suas propriedades elétricas, como alta condutividade térmica e comportamento semicondutor, ele faz parte de elementos de aquecimento elétrico, como termistores e varistores, e também é usado na fabricação de tijolos xadrez, muflas e móveis de forno para fornos de alta temperatura, além de turbinas a gás e geradores de vapor.

Propriedades térmicas

O carbeto de silício, mais comumente chamado de carborundum, apresenta uma combinação excepcional de propriedades físicas e químicas que o tornam um material extremamente robusto, usado em uma série de aplicações em ambientes de alta temperatura, alta tensão e abrasivos. Sua insolubilidade em água ou em outros solventes é muito importante para sua resistência à corrosão, enquanto sua excelente resistência mecânica, resistência a altas temperaturas e resistência a choques térmicos se combinam com uma excelente resistência ao desgaste por fadiga para uso prolongado. O carbeto de silício também tem excelente resistência ao desgaste por fadiga, o que o torna mais resistente ao desgaste por fadiga do que seus equivalentes, como os equivalentes de cerâmica, como seu primo, o carborundum.

A inércia química da cerâmica de zircônia pode ser observada pela ausência de odor e incapacidade de se dissolver em soluções ácidas, além de sua resistência à exposição à radiação em altas temperaturas sem degradação ou rachaduras. Com suas excelentes propriedades físicas e químicas, a zircônia continua sendo uma das cerâmicas industriais mais indispensáveis atualmente.

A inércia química do carbeto de silício decorre, em grande parte, de sua estrutura molecular e de sua estrutura de empacotamento fechado, com tetraedros formados em torno de átomos de carbono ou silício. Esses tetraedros podem ser encontrados dispostos em dois polimorfos distintos: carbeto de silício alfa (a-SiC), com sua estrutura cristalina de wurtzita hexagonal; e carbeto de silício beta (b-SiC), que possui uma estrutura cristalina de blenda de ferro semelhante à do diamante).

O alfa-SiC é a forma mais frequentemente produzida de carbeto de silício e se tornou o material preferido devido ao seu alto ponto de fusão e resistência à oxidação, o que o torna útil em muitos campos, como componentes de fornos elétricos. Devido a seus pontos de fusão mais baixos, outros polimorfos podem oferecer soluções mais atraentes em algumas aplicações.

O estreito intervalo de banda do carbeto de silício entre a-SiC e b-SiC faz dele um material semicondutor eficaz em temperaturas mais baixas, devido à sua mobilidade superior de elétrons em estado sólido em relação a outras cerâmicas de engenharia. Abaixo estão os dados que detalham as variações nessa propriedade, enquanto as barras gráficas nos cartões de propriedades do material comparam o carbeto de silício com as cerâmicas de engenharia sem óxido.