O que é carbeto de silício?

O carbeto de silício, mais comumente chamado de carborundum, ocorre naturalmente como o raro mineral moissanita e em meteoritos; no entanto, a maior parte do SiC comercial vendido atualmente é produzida sinteticamente.

O plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) é um material extremamente duro, ligado covalentemente, produzido por meio da redução carbotérmica de areia de sílica e coque de petróleo em um forno de resistência elétrica, o que o torna resistente à corrosão e à abrasão.

Termodinâmica

O carbeto de silício (SiC) é uma cerâmica de antimônio conhecida por sua dureza, alta condutividade térmica e resistência a reações químicas. Além disso, o SiC apresenta baixo coeficiente de expansão térmica, o que o torna adequado para aplicações que exigem resistência ao calor ou a choques térmicos.

O SiC é um material extremamente puro com dureza de 9 na escala de Mohs. Ele pode ser criado aquecendo-se uma mistura de areia e carbono em um forno do tipo resistência elétrica; o refinamento posterior pode incluir a adição de dopantes de alumínio que produzem um dispositivo semicondutor do tipo n ou do tipo p.

O ponto de fusão do SiC pode variar dependendo de sua estrutura cristalina polimórfica. Disponível em mais de 70 formas distintas, incluindo o carbeto de silício alfa (4H-SiC) com sua estrutura cristalina hexagonal semelhante à Wurtzita como a mais predominante. O carbeto de silício beta também existe com estruturas cristalinas cúbicas centradas na face, semelhantes à zincblenda ou esfalerita, para uso generalizado.

Estrutura cristalina

O carbeto de silício é um material cristalino com diversas variedades ou politopos, cada um apresentando seu próprio arranjo específico de camadas unidas por átomos de silício e carbono em formações tetraédricas. A sequência de empilhamento de cada politopo confere a ele sua estrutura cristalina exclusiva.

O carbeto de silício está disponível em duas variedades principais, o carbeto de silício alfa (a-SiC) e o carbeto de silício beta (b-SiC). Dessas duas formas, o beta SiC apresenta estruturas cristalinas cúbicas centradas na face que lembram o diamante, a zincblenda ou a esfalerita.

A cerâmica refratária de SiC tem uma excelente condutividade térmica devido aos raios atômicos quase iguais entre a-SiC e b-SiC, o que proporciona uma boa condutividade térmica. Além disso, essa propriedade permite que os fônons se propaguem livremente em sua composição. Todos esses recursos combinados com seu alto ponto de fusão e baixa taxa de expansão térmica tornam o carbeto de silício um material atraente para fornos de alta temperatura, além de oferecer resistência à corrosão e propriedades de rigidez que o tornam uma opção atraente de material.

Composição química

O carbeto de silício é um material cerâmico não óxido com inércia química e excelentes propriedades mecânicas e físicas, incluindo alta resistência, dureza Mohs de 9, baixas taxas de expansão térmica, resistência a reações químicas, excelentes propriedades de resistência à fluência e temperaturas de até 1.600 graus Celsius sem começar a oxidar.

A solidificação resulta em átomos de carbono e silício formando estruturas de coordenação tripla, conforme revelado pela distribuição do fator de forma, que mostra um pico claro em 109deg (ângulo tetraédrico), bem como regiões amplas em torno desse pico, sugerindo a presença de várias estruturas locais.

O SiC pode ser produzido pela fusão de argila e carvão em pó ou pela redução direta em fornos elétricos com carbono ou hidrogênio. Edward Goodrich Acheson produziu pela primeira vez SiC em larga escala usando um processo eletrotérmico em 1891; desde então, esse material durável passou a ser amplamente usado para usinagem abrasiva e trabalho de revestimento, além de ser aplicado em outras aplicações, como refratários e componentes eletrônicos.

Aplicativos

O carbeto de silício tem várias aplicações úteis. É um abrasivo popular usado para lixar e polir metais, como latão, bronze, aço e mármore, e cortar cerâmica. Além disso, sua classificação de 9 na escala Mohs significa que ele tem semelhanças com a dureza do diamante, além de ser extremamente durável e resistente a reações químicas.

A condutividade térmica e a expansão térmica são excelentes qualidades do nitreto de alumínio, o que o torna ideal para uso como blindagem balística. Além disso, suas características de resistência e rigidez o tornam adequado para sistemas de armas balísticas, bem como para motores de mísseis e foguetes.

Pebble Bed Reactor (PBR). Além disso, a resistência inerente desse material à oxidação o torna adequado para a produção de tijolos refratários e para o revestimento de reatores nucleares, como o Pebble Bed Reactors. Além disso, as cerâmicas de alumina e zircônia fabricadas com esse material também usam o Pebble Bed Reactor em seus produtos; além disso, sua dureza, rigidez e baixa expansão térmica o tornam uma opção atraente de material de espelho para uso em telescópios astronômicos.