Structure et applications du carbure de silicium

Les propriétés exceptionnelles du carbure de silicium en matière de stabilité thermique, de durabilité, de solidité, de résistance à la corrosion et de semi-conducteur en font un matériau idéal pour l'électronique de puissance. En outre, le dopage au phosphore ou au gallium pourrait permettre le dopage d'un dispositif semi-conducteur de base en carbure de silicium de type n.

Le SiC est disponible en différents polytypes qui se distinguent par la disposition des atomes de silicium et de carbone dans leurs structures en treillis. Chacun d'entre eux présente des propriétés physiques et chimiques différentes.

Composition chimique

Le carbure de silicium (SiC) est un composé chimique inorganique composé de silicium et de carbone. Le carbure de silicium est l'une des substances les plus dures connues de l'homme, en concurrence avec le diamant et le carbure de bore. Le carbure de silicium est utilisé dans de nombreuses applications industrielles, notamment comme abrasif et céramique structurelle ; il est également utilisé pour les revêtements réfractaires, les briques haute température, les éléments chauffants ainsi que les pièces résistantes à l'usure pour les pompes et les moteurs de fusée.

Le SiC possède une structure atomique très dense qui se traduit par des liaisons covalentes fortes entre les atomes de silicium et de carbone, créant ainsi des liaisons covalentes fortes entre chacun d'entre eux. Les atomes sont organisés en deux tétraèdres de coordination primaires avec quatre atomes de silicium et quatre atomes de carbone liés les uns aux autres par de fortes liaisons covalentes.

Le carbure de silicium à l'état pur agit comme un isolant électrique ; cependant, en ajoutant des dopants tels que le bore et l'aluminium, il devient un semi-conducteur.

Le carbure de silicium peut être fabriqué en faisant réagir différentes matières premières dans un four à haute température. Une fois produit, ce matériau doit être traité en fonction de l'usage auquel il est destiné - par exemple, il peut être nécessaire de le concasser, de le broyer ou de le traiter chimiquement avant qu'il ne convienne à l'usage auquel il est destiné.

L'abrasif en carbure de silicium est l'un des matériaux les plus fréquemment utilisés en lapidaire en raison de sa longue durée de vie et de son prix économique. En outre, le carbure de silicium est depuis longtemps utilisé comme abrasif industriel dans les processus d'usinage industriels tels que le meulage, le rodage et la découpe au jet d'eau. En outre, la grande solidité et la résistance à l'abrasion du carbure de silicium le rendent utile dans de nombreux environnements miniers et manufacturiers, tandis que ses qualités pare-balles en font un composant populaire des solutions d'armure pare-balles.

Propriétés physiques

Le carbure de silicium (SiC) est un composé synthétique extrêmement dur de silicium et de carbone qui a été produit en masse pour la première fois à la fin du XIXe siècle et qui a rapidement trouvé des applications industrielles depuis lors. D'abord utilisé comme abrasif, le carbure de silicium a rapidement évolué pour servir de revêtement réfractaire dans les fours industriels et de composant résistant à l'usure dans les pompes et les moteurs de fusée. De plus, grâce à sa conductivité thermique supérieure et à ses caractéristiques de faible dilatation thermique, il constitue un choix de matériau inestimable pour les composants électroniques tels que les semi-conducteurs et les diodes électroluminescentes, parmi bien d'autres applications plus nombreuses que jamais !

La large bande interdite du carbure de silicium permet aux électrons de se déplacer plus rapidement dans le matériau que dans le silicium, ce qui le rend idéal pour la mobilité plus rapide des électrons, la résistance à la corrosion, la résistance à l'usure, le point de fusion élevé et la résistance à des températures élevées - des qualités qui rendent ce matériau souhaitable dans de nombreuses applications exigeantes.

Les caractéristiques de l'aluminium - inertie chimique, point de fusion élevé, résistance aux températures élevées et faible coefficient de dilatation - en font un matériau bien adapté à la construction d'outils et de machines. L'aluminium est également le principal ingrédient utilisé dans de nombreux matériaux abrasifs et est essentiel à de nombreux matériaux réfractaires.

La combinaison de résistance, de conductivité thermique et de rigidité du carbure de silicium en fait un excellent choix de matériau pour les grands télescopes optiques tels que les miroirs du télescope spatial Herschel. En outre, sa rigidité et sa conductivité thermique le rendent également adapté aux sous-systèmes des engins spatiaux qui doivent résister à des températures ou à des niveaux de rayonnement élevés.

Réactions chimiques

Le carbure de silicium est un matériau dur aux propriétés physiques et chimiques remarquables. Composé d'atomes de silicium et de carbone disposés selon une structure réticulaire ordonnée, sa résistance exceptionnelle et sa stabilité thermique contribuent à sa production industrielle par réduction de la silice avec du carbone à des températures élevées dans un four électrique. Le carbure de silicium pur est généralement incolore ; toutefois, les versions contaminées se présentent souvent sous la forme d'une poudre bleu-noir ou brunâtre en raison d'impuretés de fer ou d'autres contaminants.

L'aluminium est un matériau extrêmement solide et résistant utilisé dans la fabrication d'abrasifs, de meules, d'outils de coupe, de pièces automobiles, de briques réfractaires, d'éléments chauffants et de céramiques à haute température. En raison de sa résistance aux réactions chimiques, de son faible taux de dilatation thermique et de sa capacité à servir d'élément semi-conducteur, il constitue un excellent choix de matériau pour les applications d'électronique de puissance.

Le carbure de silicium peut également supporter une exposition prolongée à l'eau sans se dégrader, ce qui en fait un excellent choix de matériau pour les composants qui doivent rester immergés dans des liquides tels que les fluides de refroidissement ou l'air. Il convient toutefois de noter que le carbure de silicium réagit avec l'hydrogène à des températures plus élevées pour produire du dioxyde de silicium et du méthane. Ce phénomène est dû au fait que sa structure tétraédrique expose les atomes à des températures plus élevées aux molécules d'hydrogène qui se combinent avec les molécules d'oxygène présentes dans l'atmosphère pour former de la vapeur d'eau visible à sa surface.

Fabrication

Le carbure de silicium se distingue de nombreux autres matériaux couramment utilisés par le fait qu'il doit être fabriqué. Le carbure de silicium étant l'une des substances les plus dures connues de l'homme, sa coupe nécessite des lames à pointe de diamant. Malheureusement, le processus de fabrication du carbure de silicium peut être complexe ; il doit donc être amélioré pour répondre à la demande croissante.

Le procédé Acheson est l'une des méthodes de production les plus couramment utilisées. Il consiste à mélanger de la silice et du coke avant de les chauffer à haute température et de les faire réagir chimiquement ensemble, produisant des cristaux verts brillants suffisamment grands pour être visibles, avant de refroidir le mélange pour stopper cette croissance et arrêter complètement la croissance des cristaux. Une fois refroidi, ce mélange de poudres peut alors être combiné à des adjuvants de frittage non oxydés (liants) pour être compacté par pressage isostatique à froid ou par des méthodes d'extrusion.

Le carbure de silicium se distingue des autres matériaux céramiques par sa large bande interdite - qui mesure la différence d'énergie nécessaire aux électrons pour passer de la bande de valence d'un atome à sa bande de conduction - ce qui lui permet de supporter des tensions et des fréquences beaucoup plus élevées que les matériaux concurrents.

Le carbure de silicium est un matériau idéal pour l'électronique des semi-conducteurs nécessitant un chauffage par résistance dans des environnements difficiles, y compris les paliers de pompes, les injecteurs de sablage, les matrices et les éléments chauffants. En raison de sa résistance, de sa dureté et de sa durabilité, le carbure de silicium constitue également un excellent choix de matériau pour les paliers de pompes, les roulements de pompes, les injecteurs de sablage, les matrices et les éléments chauffants - sans oublier le dopage à l'aluminium, au bore ou au gallium pour produire du carbure de silicium semi-conducteur de type p qui pourrait réduire les systèmes de refroidissement actifs qui ajouteraient du poids et de la complexité lorsqu'ils sont installés dans les véhicules électriques - contribuant ainsi à réduire le poids tout en ajoutant de la complexité !