Fouets en carbure de silicium

Les whiskers de carbure de silicium, particules monocristallines de taille micrométrique dotées de propriétés physiques et chimiques exceptionnelles, ont suscité un vif intérêt de la part des chercheurs en raison de leur large éventail d'applications dans de nombreux domaines, notamment les matériaux structurels à haute température et les céramiques d'outillage.

La céramique mullite est un matériau réfractaire chimiquement très stable qui présente des propriétés mécaniques et physiques supérieures, telles qu'une dureté élevée et une résistance au fluage thermique, mais sa ténacité à la rupture reste relativement faible. Les whiskers de SiC améliorent considérablement cette propriété.

Propriétés physiques

Les whiskers de carbure de silicium sont des fibres monocristallines de la taille d'un micron dont la structure ressemble à celle du diamant. Ils possèdent des qualités uniques de résistance, de rigidité, de résistance chimique et de stabilité thermique qui en font un excellent matériau de renforcement pour les céramiques, les métaux et les composites à base de polymères.

Les charges minérales peuvent être utilisées pour renforcer les céramiques, tout en augmentant leur ductilité et leur dureté, leur résistance à l'oxydation, leur taux de dilatation thermique et leur résistance à la rupture. En outre, elles peuvent être ajoutées aux composites à matrice polymère pour réduire les besoins en charges tout en les rendant plus résistants à la fissuration, au bosselage et aux dommages dus à la fatigue.

Les whiskers peuvent être fabriqués par diverses techniques, notamment la réduction carbothermique de la silice, la réaction chimique entre les halogénures de silicium et le CCl4, ou le dépôt chimique en phase vapeur avec des catalyseurs métalliques. Malheureusement, leur qualité et leur dimension sont souvent limitées par l'agglomération et l'anisotropie (Wright, 2006). Un processus plus avancé implique la croissance vapeur-liquide-solide qui permet de placer les whiskers profondément dans les pores des substrats poreux et de leur conférer des propriétés souhaitables.

Les whiskers ont été étudiés et comparés à des fibres de sous-produits industriels en suspension dans l'air afin de déterminer les risques éventuels pour les travailleurs qui les manipulent, et les whiskers de SiC n'ont révélé aucun risque respiratoire significatif. Les résultats de la recherche ont permis de conclure que les whiskers de SiC ne présentent pas de risques majeurs lorsqu'ils sont manipulés.

Propriétés chimiques

Le carbure de silicium a été synthétisé artificiellement pour la première fois par Edward Acheson en 1891 sous la forme d'un matériau abrasif connu sous le nom de carborundum (Encyclopedia Britannica, 2014). Depuis lors, il a été produit en masse en utilisant du sable de quartz et du carbone chauffés à haute température pour former des lots de carbure de silicium à grande échelle. Le carbure de silicium est utilisé dans plusieurs domaines industriels en raison de sa solidité exceptionnelle, de son poids avantageux et de sa stabilité à haute température, ainsi que de sa grande résistance à l'exposition aux radiations ; les joints céramiques et les buses de sablage utilisent le carbure de silicium, tandis que la durabilité remplace les substances d'amiante, entre autres.

Le carbure de silicium (SiC) est un composé semi-métallique de silicium et de carbone dont le point de fusion est de 2260 degrés Celsius et dont la faible pression de vapeur le rend insoluble dans l'eau, mais soluble dans l'alcool et l'éther ; cependant, en raison de l'exposition à l'air à température ambiante, il se dégrade rapidement, ce qui entraîne une dégradation rapide au fil du temps. Le SiC peut être utilisé comme abrasif dans le papier de verre ainsi que dans les outils de revêtement tels que les outils de sablage, les meules et autres équipements d'usinage.

Les whiskers de SiC peuvent être dangereusement toxiques pour les cellules, en perturbant les membranes cellulaires et en entraînant la mort des cellules. Des études menées sur des cellules de fibroblastes de souris ont démontré leur cytotoxicité en induisant des mutations de l'ADN, en augmentant le contenu total de l'ADN cellulaire et en conduisant à une transformation maligne - ces effets étant diminués lorsqu'ils sont recouverts d'un agent tensioactif non toxique. Testés sur des cellules épithéliales trachéales ciliées humaines, ils se sont révélés plus toxiques que les fibres de sous-produits industriels tels que l'amiante et le sulfure de nickel, tout en étant moins nocifs que le talc et le dioxyde de titane.

Propriétés mécaniques

Les whiskers de carbure de silicium constituent un matériau de renforcement idéal pour renforcer les céramiques, les métaux et les composites polymères. Leurs propriétés comprennent une grande solidité, une grande dureté, une inertie chimique et une résistance à la température, ainsi qu'une meilleure résistance à l'oxydation de matériaux tels que les matériaux céramiques à base d'oxycarbure de silicium, qui ont été largement étudiés en tant qu'outils, composants de moteur et céramiques résistantes à l'usure - en fonction de la chimie, de la structure et de la taille des cristaux synthétisés par réduction carbothermique, CVD ou combustion de déchets tels que les cosses de riz.

Toutefois, leurs propriétés mécaniques sont loin d'égaler celles du silicium cristallin monolithique (c-Si). Pour améliorer la résistance à la traction et à la fatigue de ces matériaux, les chercheurs les ont modifiés avec des matériaux organiques ou des fibres inorganiques connues sous le nom de "whiskers" de SiC afin d'améliorer la résistance à la compression et à la traction et de réduire la concentration de contraintes autour d'eux lors de la rupture. Cette modification a permis d'augmenter de manière significative la résistance à la compression tout en diminuant la concentration de contraintes lors de la rupture.

L'ajout de whiskers de SiC à une matrice vitrocéramique améliore considérablement sa résistance et sa ténacité tout en maintenant la facilité de formation du verre et en améliorant les performances tribologiques. En outre, elle peut augmenter la ductilité ainsi que la limite élastique de Hugoniot de plusieurs ordres de grandeur ; de plus, sa morphologie de rupture en témoigne en montrant de nombreuses fossettes et arêtes de déchirure, ce qui indique son comportement ductile.

Propriétés thermiques

Le carbure de silicium (SiC) est un composé chimique extrêmement dur composé de silicium et de carbone qui existe à l'état naturel sous forme de pierre précieuse moissanite, mais des versions produites en masse sont produites depuis 1893 sous forme de poudre et de cristaux pour être utilisées comme abrasifs. Le carbure de silicium est également utilisé dans des applications nécessitant une grande endurance, telles que les disques de frein en céramique pour les voitures et les gilets pare-balles, ainsi que les joints d'arbre de pompe ; son point de fusion lui permet de résister à des températures extrêmes sans se fissurer ni se déformer au fil du temps.

Les propriétés thermiques des whiskers de SiC dépendent fortement de leur microstructure, de la chimie de leur surface et de leur taille. Avec une faible pression de vapeur et une stabilité jusqu'à 1650 degrés Celsius, ces whiskers peuvent être utilisés comme renforts dans divers matériaux tels que les métaux et les polymères ; ils améliorent la solidité, la ténacité, l'inertie chimique et la résistance à l'oxydation tout en prolongeant la durée de vie.

La microscopie électronique à balayage et la diffraction des rayons X permettent d'analyser la microstructure des whiskers de SiC. Ils sont constitués de structures polycristallines composées de polytypes 3C bêta-SiC et 6H-SiC ; un examen plus approfondi a révélé que les régions cristallines possèdent des densités de défauts planaires plus élevées que les régions amorphes en raison des microtorsions formées sur les plans 1 1 1 qui exercent des effets significatifs sur les surfaces de rupture en tension et en flexion des nanocomposites PI-SiCw.