Densidade e aplicações do carbeto de silício

O carbeto de silício, também conhecido como carborundum, é um composto de silício puro e carbono. Esse material cerâmico possui muitas propriedades úteis, incluindo resistência à abrasão, estabilidade em altas temperaturas e capacidades semicondutoras de intervalo de banda larga.

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Alta dureza

O carbeto de silício está entre os materiais cerâmicos mais duros. Além disso, sua dureza permanece relativamente inalterada em temperaturas elevadas, o que o torna adequado para aplicações de alta temperatura, como elementos de aquecimento de alta temperatura em geradores de infravermelho distante e reatores químicos. Além disso, o carbeto de silício resiste bem ao desgaste causado por forças de atrito, o que o torna adequado para selos mecânicos usados em sistemas de bombas e ideal para uso em bicos de injeção de jato de areia e elementos de aquecimento em geradores de infravermelho distante.

A produção de carbeto de silício normalmente envolve a fundição em alta temperatura de matérias-primas como areia de quartzo e coque de petróleo (ou coque de carvão) em um forno de resistência, produzindo carbeto de silício verde, que é então moído em forma de pó antes de ser comprimido em grânulos, posteriormente moído e purificado para produzir o produto final.

O SiC granulado é ligado por reação ou sinterizado diretamente para produzir vários graus, com a reação ligada formando custos mais baixos, mas grãos mais grossos para temperaturas de uso mais altas e resistência ao desgaste do que a sinterização direta. A deposição de vapor oferece um meio eficaz de produzir formas mais puras do material para determinadas aplicações, produzindo uma microestrutura mais consistente com impurezas reduzidas, o que aumenta a dureza da radiação. A alta dureza por radiação do SiC o torna particularmente vantajoso em aplicações eletrônicas, em que sua estrutura atômica contribui para a dispersão de elétrons e prótons nas superfícies, além de prolongar a vida útil do dispositivo quando exposto a uma exposição prolongada à radiação.

Alta condutividade térmica

O carbeto de silício é um material extremamente condutor de calor. Ele conduz quatro vezes mais calor do que o carbeto de boro e mais de dez vezes mais calor do que o diamante, graças ao fato de seus átomos de carbono formarem uma ligação covalente com um átomo de silício no centro de sua estrutura cristalina, o que o torna uma excelente opção para aplicações de alta temperatura.

Além disso, o material cerâmico é altamente resistente à corrosão e pode suportar ambientes químicos agressivos que podem ocorrer em instalações de produção de papel, tecnologia de energia e processamento de aço. Além disso, seu baixo ponto de ebulição e de fusão torna seguro seu uso como material cerâmico.

O vidro de cal sodada (SOG) pode ser dopado com nitrogênio ou fósforo para formar um semicondutor do tipo n, enquanto berílio, boro, alumínio e gálio podem ser adicionados para aplicações do tipo p. O SOG é geralmente escolhido em vez do nitreto de silício (SiN) devido à sua maior área de superfície.

Além de ser um condutor térmico excepcional, o silicone também é um material de reforço inestimável para compostos de borracha. O silicone pode aumentar a rigidez e a resistência à abrasão da borracha e, ao mesmo tempo, diminuir o tempo e a temperatura de cura; além disso, pode reduzir a energia necessária para a cura por meio de uma dispersão mais uniforme do agente de cura em todo o composto - qualidades ideais que tornam esse material perfeito para a produção de pneus, produção de revestimentos industriais e outras aplicações em condições exigentes.

Lacuna de banda larga

O carbeto de silício apresenta um intervalo de banda maior do que os materiais semicondutores convencionais, o que o torna o material ideal para dispositivos de energia que exigem altas temperaturas de operação, frequências de comutação mais altas e maior eficiência energética. Além disso, o carbeto de silício é uma excelente opção de material para a construção de circuitos integrados (ICs) para facilitar a eletrônica de potência, os componentes de computador, os sistemas de RF, os avanços optoeletrônicos etc.

Sua estrutura exclusiva compreende camadas hexagonais de átomos de silício e carbono dispostos em redes cúbicas de face centrada (FCC). A ligação atômica confere a esse material uma força de ligação excepcionalmente alta, criando redes covalentes em toda a sua superfície, o que leva a um intervalo de banda excepcionalmente amplo de 3,26 eV.

As amplas lacunas de banda de energia permitem um aumento na excitação do par elétron-buraco dentro de um material e permitem a formação de fótons por meio da recombinação com pares elétron-buraco; a luz produzida como resultado é conhecida como luminescência.

Os semicondutores WBG apresentam altas tensões de ruptura que permitem que eles trabalhem de forma eficaz em temperaturas mais altas, levando a uma maior densidade de potência e eficiência superior. Como resultado, os dispositivos de potência baseados em carbeto de silício podem ser construídos usando dissipadores de calor e sistemas de resfriamento menores, permitindo fatores de forma mais compactos.

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Leve

O carbeto de silício é um material extremamente duro e flexível, capaz de suportar altas temperaturas e tensões e, ao mesmo tempo, permanecer leve, o que o torna adequado para várias aplicações. O carbeto de silício pode ser encontrado em materiais compostos, como o carbeto de silício reforçado com fibra de carbono (CFRC), encontrado em freios automotivos, bem como em placas de cerâmica usadas em coletes à prova de balas. Além disso, a blindagem Chobham, usada por veículos militares para resistir a ataques de fogo inimigo, também é feita de material de carbeto de silício que pode resistir a impactos de alta velocidade de armas inimigas.

O SiC tem excelente resistência à corrosão e pode operar em ambientes agressivos sem sofrer danos, como ambientes de alta temperatura e presença de produtos químicos, como ácido fluorídrico, fluoreto de sódio e acetona. Além disso, sua resistência permanece intacta mesmo sob altos níveis de umidade, sem degradação de sua integridade.

O carbeto de silício em seu estado puro atua como um isolante; no entanto, ele pode ser feito para conduzir eletricidade com a adição controlada de impurezas, conhecidas como dopantes. A dopagem com alumínio, boro ou gálio cria um semicondutor do tipo p, enquanto a adição de dopantes de nitrogênio ou fósforo produz um semicondutor do tipo N, que pode atingir a supercondutividade em determinadas circunstâncias.

O carbeto de silício é um material indispensável na pesquisa e produção de materiais avançados. Com suas propriedades superiores, o carbeto de silício tem a capacidade de substituir os semicondutores de silício em aplicações eletrônicas exigentes, como eletrônica de potência para veículos elétricos terrestres ou instrumentos em veículos de exploração espacial, como rovers ou sondas (Mantooth, Zetterling & Rusu). Além disso, a confiabilidade e a eficiência de longo prazo desse material o tornam um excelente candidato para uso em sistemas de energia solar que exigem confiabilidade e eficiência de longo prazo (Mantooth et al.).