Applications du carbure de silicium

Le carbure de silicium est un matériau extrêmement utile qui trouve des applications dans de nombreuses industries. Bien qu'il existe à l'état naturel sous forme de gisements minéraux de moissanite, la majeure partie de la production de carbure de silicium (SC) se fait aujourd'hui de manière synthétique.

Grâce à leur tension de rupture élevée et à leur faible résistance à l'allumage, les plaquettes de silicium constituent d'excellents composants pour les appareils à semi-conducteurs. En outre, leur résistance à la corrosion leur permet de supporter des températures élevées ainsi que les problèmes liés à la corrosion.

Outils abrasifs

Le carbure de silicium (communément appelé "carborundum") est un matériau céramique durable qui présente des propriétés exceptionnelles de résistance à haute température et de dilatation thermique. Il est donc largement utilisé dans les applications de sablage où des médias durables sont nécessaires pour éliminer la rouille, préparer des produits pour la peinture ou décaper d'anciennes finitions sur des surfaces. Il est généralement formé en grains anguleux avant d'être chauffé à 1200-1400 degrés F pour être incorporé dans des produits abrasifs solides ou en vrac.

Les abrasifs en carbure de silicium sont produits par un processus connu sous le nom de réduction carbothermique. Pour ce faire, un mélange de sable siliceux pur, de coke et de sel est chauffé dans un four à résistance électrique jusqu'à ce que les matières carbonées agissent comme une électrode et se lient chimiquement aux molécules de silice pour former des grains de carborundum. Une fois le chauffage terminé, cette grenaille verte est encore broyée avant que la classification granulométrique ne garantisse que les produits fabriqués répondent aux besoins spécifiques de l'industrie et des clients.

Le carbure de silicium se distingue des autres matériaux abrasifs par sa très grande dureté, classée à 9 sur l'échelle de Mohs (dépassée uniquement par le diamant et le carbure de bore). En raison de cette dureté exceptionnelle, le carbure de silicium est un matériau idéal pour couper ou meuler des matériaux durs et cassants avec un minimum de force.

Outre leur utilisation dans les applications de sablage, les abrasifs en carbure de silicium constituent un choix idéal pour le ponçage et le meulage des métaux, de la pierre, du verre, du liège, de la substance du bois et des matières plastiques. Bien qu'ils soient moins résistants que leurs homologues en oxyde d'aluminium, leurs grains abrasifs tranchants comme des rasoirs permettent aux applications à faible pression de couper facilement ces matériaux. Le carbure de silicium est également présent dans les meules, le papier de verre, les meules vitrifiées et résinoïdes, ainsi que dans les buses de sablage.

Outils de coupe

Le carbure de silicium est largement utilisé comme matériau abrasif dans les meules, les outils de coupe, le papier de verre et les processus de production de céramique. Les céramiques font également grand usage de ce matériau extrêmement dur, car sa dureté permet de l'usiner ou de le sculpter à l'aide de divers outils pour obtenir des formes ou des finitions spécifiques. En raison de sa rentabilité et de sa résistance à l'usure, il est devenu un choix intéressant pour la création de matériaux abrasifs à long terme tels que les meules.

Le carbure de silicium est couramment utilisé pour fabriquer des outils de perçage et d'usinage, notamment des forets pleins et des forets à plaquettes indexables, pour couper des métaux tels que les aciers et les alliages d'aluminium, ainsi que des matériaux à haute température tels que le titane ou les alliages de nickel. Grâce à leur dureté, ces matériaux n'endommagent que rarement ces outils, même lors d'opérations d'usinage à grande vitesse.

Le carbure de silicium possède un point de fusion et une conductivité thermique élevés, ce qui le rend très résistant à l'abrasion, à la corrosion et à d'autres processus chimiques associés aux procédés d'usinage. En tant que tel, sa résilience lui permet de couper toute une série de matériaux, des métaux aux composites en passant par les céramiques.

L'alumine trempée à la zircone et l'alumine renforcée à la chromie sont des exemples de matériaux céramiques qui se sont avérés supérieurs au carbure de tungstène pour l'utilisation d'outils de coupe pour les matériaux durs et cassants en raison de leur dureté plus élevée, de leur résistance à la compression, de leur inertie chimique à des températures élevées, ainsi que de leur conductivité thermique plus élevée qui permet une dissipation plus rapide de la chaleur, réduisant ainsi les risques de dommages thermiques sur les pièces à usiner et prolongeant la durée de vie des outils [3]. [4,5]

Matériaux résistants à la chaleur

Le carbure de silicium est un matériau polyvalent utilisé pour des applications allant des abrasifs et des réfractaires aux céramiques et aux applications à haute performance. Les composites à matrice céramique composés de pièces métalliques et polymères renforcées au carbure de silicium peuvent augmenter les performances tout en offrant une résistance à la chaleur ; les alliages d'aluminium renforcés à la céramique offrent deux fois plus de solidité et 20% plus de résistance à la chaleur que les alliages d'aluminium pur, tout en étant deux tiers plus légers.

Le SiC est un matériau extrêmement dur et chimiquement résistant. Il présente une excellente conductivité thermique, une bonne résistance à l'abrasion et des propriétés de conductivité thermique ; seuls le diamant et le carbure de bore sont comparables en termes de dureté. En outre, il est souvent utilisé dans les réfractaires et les céramiques en raison de la combinaison de sa résistance thermique (haute résistance à la chaleur) et de sa durabilité mécanique (résistance à l'abrasion).

Les propriétés uniques du carbure de silicium en font un matériau intéressant pour la fabrication de dispositifs de puissance à grande vitesse, notamment un champ de rupture d'avalanche critique élevé et une large bande interdite qui permettent de fournir plus de puissance avec moins de dispositifs connectés en série, réduisant ainsi les coûts et la complexité du système, tandis que sa faible résistance d'état limite la perte de conversion et augmente la fiabilité du dispositif.

Le SiC se distingue par la combinaison d'atomes de silicium et de carbone dans sa structure, ce qui lui confère des propriétés électriques et thermiques uniques. Il est inerte face aux acides et aux bases, ainsi qu'aux températures élevées, et les méthodes de fabrication comprennent le collage par réaction ainsi que les procédés céramiques conventionnels tels que le pressage à chaud et le frittage sans pression. Les formes et les dimensions peuvent être déterminées en fonction de l'utilisation prévue ; le processus de frittage est relativement simple et produit des corps frittés aux propriétés mécaniques de haute densité dont la microstructure finale peut être contrôlée par le choix de l'adjuvant de frittage, l'ajout d'un liant et les conditions de pressage et de frittage.

Matériaux résistants à l'usure

Le carbure de silicium est un matériau extrêmement dur, doté d'une excellente résistance à l'abrasion et d'une grande force mécanique, ce qui le rend adapté à diverses applications dans un large spectre de températures. En outre, sa forte résistance à la compression lui confère une plus grande durabilité face aux contraintes mécaniques qui peuvent survenir au fil du temps, ce qui en fait le matériau idéal pour les utilisations industrielles où des charges lourdes ou des vitesses rapides peuvent être présentes.

Le carbure de silicium (SiC) est l'un des matériaux céramiques les plus légers et les plus durs. Sa structure cristalline en couches comprend des atomes de silicium et de carbone liés entre eux par une configuration de liaison tétraédrique pour former divers polytypes aux propriétés différentes ; la forme alpha (a-SiC), avec sa structure cristalline hexagonale similaire à la Wurtzite, se trouve couramment dans les applications industrielles, tandis que la forme bêta (structure cristalline de la zn blende) est plus rare.

Le carbure de silicium offre une résistance à l'usure supérieure à celle des types d'acier ; toutefois, la résistance à l'usure par impact du carbure de silicium lié au nitrure est beaucoup plus faible, ce qui limite son utilisation à grande échelle dans les pièces de travail du sol.

Le matériau composite de carbure de silicium lié par réaction (RBSC) est conçu pour les applications qui exigent une résistance exceptionnelle à l'usure, d'excellentes propriétés réfractaires, une stabilité chimique et un rapport résistance/poids élevé. Le RBSC peut être formé dans des formes complexes avec d'excellents rapports poids/résistance tout en restant résistant à l'oxydation et à la température - idéal pour le meulage et la coupe de matériaux réfractaires. Il est couramment employé dans les machines de meulage utilisées pour cette tâche.

Matériaux à haute température

Le choix des matériaux pour les applications difficiles nécessite de sélectionner des matériaux présentant une résistance thermique et chimique élevée. C'est pourquoi le carbure de silicium est devenu l'un des choix privilégiés dans les mines, les opérations de raffinage du pétrole et les installations de pompage.

Grâce à sa stabilité thermique supérieure, le matériau céramique offre une résistance et une intégrité exceptionnelles, même en cas d'exposition à des températures élevées. En outre, sa résistance à la corrosion et aux attaques chimiques en fait un excellent choix pour une utilisation dans des environnements exigeant des niveaux de pureté élevés, tels que la fabrication de semi-conducteurs.

Les propriétés du carbure de silicium en tant que céramique technique sont déterminées par sa structure cristalline ; les polytypes peuvent présenter des propriétés différentes en raison des différences de bande interdite. La bande interdite détermine la manière dont la lumière peut être absorbée ou émise par les matériaux ; les matériaux à large bande interdite ont tendance à avoir des taux de transmission plus élevés, tandis que ceux à bande interdite plus étroite ont généralement des taux de transmission réduits.

La conductivité thermique du carbure de silicium, qui peut atteindre 4,9 watts par mètre carré Kelvin, est l'une de ses principales caractéristiques pour de nombreuses applications, car elle permet au matériau de résister facilement à des environnements à haute température. Cette caractéristique est particulièrement importante lorsqu'il s'agit de matériaux réfractaires ou de pièces résistantes à l'usure pour lesquelles une stabilité thermique élevée est cruciale.

La résistance à la tension plus élevée du carbure de silicium par rapport au silicium en fait un choix de matériau intéressant pour les composants électriques à haute tension tels que les semi-conducteurs et les capteurs de pression, où des fissures à des tensions plus élevées pourraient se produire ; sa résistance dépasse de 10 fois celle des systèmes de 1 000 V par rapport au silicium et au nitrure de gallium, respectivement.