Vantagens e usos do carbeto de silício

O carbeto de silício é um material impressionante com muitas propriedades industriais úteis. Sua superfície dura e resistente apresenta excepcional dureza e resistência à abrasão, além de oferecer resistência ao choque térmico em temperaturas elevadas.

A condutividade do SiC depende de sua densidade e composição, com opções de dopagem que incluem nitrogênio ou fósforo para uma aplicação do tipo n ou berílio, boro, alumínio ou gálio como opções do tipo p para operações do tipo p.

É um semicondutor

O carbeto de silício (SiC) é um material semicondutor avançado. Formado quando o silício e o carbono se combinam em altas temperaturas, o SiC é um material duro e mecanicamente forte, adequado para ferramentas de corte, cerâmicas e metais de reforço; além disso, pode ser usado para a construção de dispositivos eletrônicos, como diodos Schottky e transistores, devido à sua condutividade térmica e às propriedades de baixa expansão térmica, o que torna o SiC um candidato atraente quando aplicado a temperaturas mais altas do que os semicondutores tradicionais.

Ao contrário dos condutores, que permitem que a eletricidade passe livremente por eles o tempo todo, os semicondutores precisam ser estimulados por correntes elétricas ou campos eletromagnéticos para iniciar a condutividade. Esse processo, conhecido como dopagem, permite que os semicondutores ganhem ou percam elétrons, possibilitando assim a passagem de eletricidade através deles - dependendo do tipo de dopante empregado, são formados diferentes tipos de semicondutores.

O SiC é composto de átomos de silício e carbono unidos por ligações tetraédricas que conferem a essa estrutura de rede exclusiva dureza, força mecânica, inércia e resistência a choques substanciais. Além disso, sua baixa densidade, seu alto módulo de elasticidade e suas propriedades de expansão térmica conferem a esse material uma excepcional resistência a choques. Por fim, a alta condutividade térmica e o amplo intervalo de banda do SiC permitem que ele opere em frequências e temperaturas mais altas do que os semicondutores convencionais.

Para produzir SiC, uma mistura de areia de sílica pura e coque em pó é aquecida em um forno elétrico usando corrente elétrica por meio de um condutor de carbono. A reação entre o carbono e a sílica forma o carbeto de silício, que é moído em forma de pó antes de ser moído em grânulos finos para uso posterior em camadas resistentes ao desgaste ou fundido em grandes blocos para processamento posterior, ou cortado em fatias finas para aplicações eletrônicas de estado sólido.

O SiC é geralmente um isolante elétrico, mas pode ser alterado para agir como um semicondutor com certas impurezas de dopagem. A dopagem com alumínio e boro cria um semicondutor do tipo p; a dopagem com nitrogênio e fósforo produz um semicondutor do tipo n; e a dopagem com estanho e gálio o transforma em um supercondutor.

É um bom isolante

O carbeto de silício é um excelente isolante e apresenta excepcional resistência a choques térmicos, possuindo um baixo coeficiente de expansão térmica e mantendo sua força em uma ampla faixa de temperatura. Como um dos poucos materiais capazes de suportar temperaturas extremas, como as encontradas em reatores nucleares, o carbeto de silício é um material indispensável nos setores que exigem aplicações em altas temperaturas.

O Carbeto de Silício, comumente chamado de Carborundum, é um mineral industrial composto de silício e carbono cristalino. Como uma das cerâmicas industriais mais usadas no mundo, o carborundum atende a uma variedade de finalidades industriais, inclusive como abrasivo, aditivo para aço e material cerâmico estrutural. Grânulos ou pó podem ser combinados por sinterização em estruturas de cerâmica dura. O carbeto de silício também foi utilizado em dispositivos eletrônicos que exigem altas temperaturas e tensões, como diodos emissores de luz (LEDs) ou detectores encontrados nos primeiros rádios.

Edward Goodrich Acheson criou o carborundum durante sua tentativa de produzir diamante artificial em 1891; em vez disso, ele descobriu e batizou um novo material de "carborundum". Desde então, ele passou a ser amplamente produzido em massa para uso como abrasivos e aditivos para aço, bem como para aplicações em cerâmica e semicondutores.

Esse isolante consiste em cristais hexagonais densamente compactados com átomos de carbono. À temperatura ambiente, sua condutividade intrínseca é extremamente alta devido aos cátions presentes em suas estruturas cristalinas que criam uma diferença de potencial elétrico. Além disso, sua composição densa aumenta as vibrações de fônons dentro do material, o que aumenta a condutividade térmica.

A descoberta do carbeto de silício por Acheson levou a várias inovações, como o forno de Acheson, que continua sendo usado até hoje. Henri Moissan, na França, também usou vários métodos para sintetizá-lo, por exemplo, dissolvendo carbono em sílica líquida ou derretendo misturas de carbeto de cálcio e sílica com coque.

O carbeto de silício é um material sólido com propriedade isolante; no entanto, ele também pode ser alterado para exibir características semicondutoras quando dopado com alumínio ou outros elementos. A dopagem altera a polarização e afeta seu coeficiente Seebeck, que mede o tipo de condutividade.

É um bom condutor

O carbeto de silício é um material sintético muito duro, produzido desde o final do século XIX para uso em lixas e rebolos. Além disso, esse semicondutor apresenta grande condutividade elétrica, além de ser capaz de suportar altas temperaturas e resistir à oxidação, o que o torna adequado para aplicações químicas e nucleares e oferece propriedades superiores de força e resistência à abrasão.

Um forno Acheson é usado para combinar areia de sílica e coque de petróleo como fontes de carbono e, em seguida, controlar cuidadosamente esse processo para produzir grãos cristalinos de SiC verde ou preto com vários níveis de pureza com base na pureza das matérias-primas. O SiC verde normalmente indica níveis de pureza maiores.

O carbeto de silício difere significativamente da alumina por ser muito mais duro e ter melhores propriedades de resistência ao desgaste e à corrosão, excelentes propriedades de condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão térmica. Além disso, o carbeto de silício oferece boas propriedades mecânicas e pode ser facilmente moldado em vários formatos, enquanto sua alta condutividade elétrica o torna uma excelente opção de material para dispositivos eletrônicos.

O carbeto de silício em sua forma pura é um isolante elétrico; no entanto, sua semicondutividade pode ser expressa. Sua condutividade depende da largura do intervalo de banda, que determina se ele se comporta como isolante ou material semicondutor; intervalos de banda largos produzem materiais que se comportam como isolantes, enquanto intervalos de banda estreitos levam a materiais semicondutores.

Como contém altas concentrações de átomos de carbono, sua condutividade elétrica superior pode ser atribuída à forte ligação entre eles e à formação de dois tetraedros de coordenação primária com quatro átomos de silício e quatro átomos de carbono ligados em seus cantos, unindo-os através dos cantos para formar estruturas do tipo Polytype que interagem com os elétrons de forma diferente e exibem muitos fenômenos fascinantes.

O carbeto de boro (B4C) é outro excelente condutor elétrico. Graças à sua resistência superior à abrasão e à corrosão, o B4C é amplamente utilizado como material de rebolo abrasivo, material de revestimento refratário para fornos industriais, escudos térmicos para fornos, bem como para possíveis usos em armaduras militares ou coletes à prova de balas.

É um bom condutor térmico

O carbeto de silício é um dos principais condutores térmicos de cerâmica de engenharia sem óxido, ostentando uma condutividade térmica extremamente alta e índices moderados de condutividade elétrica, o que o torna amplamente utilizado nos setores metalúrgico, químico e elétrico. Além disso, essa cerâmica tem excelentes propriedades mecânicas e é altamente resistente à corrosão.

O carbeto de silício (SiC) é um material inorgânico composto de silício e carbono fundidos por fortes ligações covalentes, o que lhe confere propriedades semicondutoras de amplo intervalo de banda e é adequado para aplicações eletrônicas devido às suas propriedades semicondutoras de amplo intervalo de banda. O SiC oferece excelente condutividade térmica, além de ter baixo coeficiente de taxas de expansão - duas vantagens que o tornam adequado para aplicações de resistência a choques térmicos.

As propriedades do carbeto de silício o tornam uma excelente opção para aplicações que envolvem altas temperaturas e ambientes desafiadores, incluindo revestimentos de fornos, tijolos, trilhos de guia em fábricas de processamento de metais, bem como revestimentos de proteção que resistem à abrasão e à erosão; além disso, sua resistência química, à oxidação e ao desgaste o torna adequado para o setor petroquímico.

O carbeto de silício apresenta uma condutividade térmica excepcional e baixo coeficiente de expansão. Além disso, sua resistência a ácidos o torna ideal para aplicações que exigem resistência ao desgaste físico, como bicos de pulverização, bicos de jateamento e componentes de ciclones, com excelente resistência à erosão e à abrasão, além de ser fácil de fabricar e ter um valor impressionante de módulo de Young.

A produção de carbeto de silício pode ser feita de várias formas, mas o processo de reação ligada se destaca como um dos métodos mais rápidos e econômicos disponíveis para criar carbeto de silício de alta resistência. Isso envolve a mistura de pó de SiC com carbono em pó e plastificante nas formas desejadas, antes de queimar o plastificante e infundir o objeto queimado com infusão de silício gasoso ou líquido para o fogo. Reprocessamento várias vezes sem diminuição da resistência - todas as marcas registradas de durabilidade para qualquer produto!

Outros métodos usados para produzir SiC poroso são o ataque eletroquímico de SiC maciço, a redução carbotérmica/magnesiotérmica de compostos de sílica e carbono e a nanocasting usando policarbosilanos; nenhum desses processos ainda demonstrou ser comercialmente viável.