Conductivité thermique du carbure de silicium

Le carbure de silicium, ou carborundum (), est une céramique dure produite en masse pour la première fois en 1893 pour être utilisée comme abrasif. Bien qu'il existe des exemples naturels (gemmes de moissanite et petites quantités sous forme de roche ignée appelée corindon), la plupart des utilisations modernes se font de manière synthétique.

Le SiC est connu pour sa grande résistance à la fatigue, sa conductivité thermique élevée et son faible coefficient de dilatation, ce qui le rend apte à être fabriqué pour résister à des températures élevées tout en restant solide dans des environnements corrosifs.

Propriétés thermophysiques

Le carbure de silicium est l'un des rares matériaux à présenter une conductivité thermique élevée à température ambiante. En raison de sa dureté, de sa rigidité et de sa stabilité à la température, le carbure de silicium est un excellent choix de matériau pour les miroirs de télescopes utilisés par les astronomes.

La théorie de la fonctionnelle de la densité a été utilisée pour des études théoriques systématiques des paramètres structurels et des propriétés thermophysiques à température finie du carbure de silicium cubique (3C-SiC). Nos résultats concernant les constantes élastiques et la microdureté de Knoop ont montré un accord satisfaisant avec les données expérimentales ainsi qu'avec les résultats calculés publiés ailleurs.

En utilisant des modèles de structure optimisés, nous avons également obtenu des estimations au niveau atomique des énergies de formation des défauts pour le ZrC, le TiC et le SiC en utilisant des modèles de structure optimisés. Les résultats ont révélé que la température de Debye diminue avec l'augmentation du nombre d'atomes de défauts, tandis que les défauts CZr antisite et VC présentent des énergies de formation plus faibles que leurs homologues VSi et Sit ; leur réduction d'énergie de formation peut avoir un impact sur la résistance à la déformation uniaxiale et au cisaillement des structures 3C-SiC.

Propriétés électriques

Le carbure de silicium est l'un des matériaux les plus durs et les plus thermoconducteurs que l'on puisse trouver dans la nature. Il résiste aux attaques des acides et des alcalis, ainsi qu'à la chaleur jusqu'à 1600 degrés Celsius, sans perte de résistance. En outre, le carbure de silicium est un excellent conducteur électrique.

La large bande interdite du carbure de silicium lui permet d'être utilisé dans des dispositifs semi-conducteurs tels que les diodes, les transistors et les thyristors, tandis que sa capacité à supporter des tensions et des courants importants le rend également utile dans les dispositifs d'alimentation de haute puissance.

Le SiC poreux peut être modifié par l'ajout de nanoplaquettes de graphène (GNP), créant ainsi un matériau aux propriétés thermiques améliorées. Ce matériau peut être fabriqué par frittage par plasma étincelant en phase liquide d'une poudre de SiC stœchiométrique ou non stœchiométrique ; diverses combinaisons d'auxiliaires de frittage (Y2O3 et La2O3) ont été testées pour évaluer leurs effets sur la composition des phases, la microstructure et la conductivité thermique de matériaux poreux contenant jusqu'à 20 vol% de GNP ; une dépendance non monotone à la température a été observée avec des composites contenant jusqu'à 20% de GNP.

Propriétés mécaniques

La composition unique du SiC en atomes de silicium et de carbone dans son réseau cristallin lui confère des propriétés mécaniques remarquables qui en font l'un des matériaux céramiques les plus résistants et les plus durs. Très résistant à la corrosion par les acides, les lessives et les sels fondus, ainsi qu'à l'abrasion, sa rigidité et sa solidité font du SiC un matériau de choix pour les composants résistants à l'usure tels que les meules ou les trépans dans les broyeurs, les expandeurs ou les extrudeurs.

En plus d'être léger, le matériau céramique présente une excellente résistance aux chocs thermiques - il peut supporter des températures allant jusqu'à 1600 degrés Celsius sans perdre ses propriétés mécaniques ou sa dilatation thermique, avec de faibles taux de dilatation thermique et un module d'Young exceptionnellement élevé, ce qui assure la stabilité dimensionnelle.

La porosité des céramiques poreuses en SiC varie en fonction de leur méthode de formation (collage par réaction ou frittage). Des études ont démontré que la conductivité électrique et la résistance à la flexion augmentent avec la teneur en B4C en raison de sa capacité à adsorber l'oxygène des matériaux de la matrice Si-C et donc à réduire la longueur de diffusion des phonons.

Applications

Le carbure de silicium est utilisé à la fois comme abrasif et comme outil de coupe dans la fabrication. En raison de sa surface dure et résistante à la chaleur, le carbure de silicium peut également être utilisé comme semi-conducteur électronique dans les diodes et les transistors, car sa tolérance à la tension peut dépasser celle du silicium.

La dureté du carbure de silicium, sa résistance à la corrosion et sa conductivité thermique élevée en font un excellent matériau pour les équipements de protection tels que les casques et les plaques de blindage. En outre, son inertie chimique signifie qu'il ne réagit pas à l'eau, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans des environnements très humides tels que les vaisseaux spatiaux et les environnements marins.

Le carbure de silicium recristallisé (RSiC) présente un mélange de propriétés mécaniques, thermiques et électriques inégalé par rapport aux autres variantes de SiC. Sa microstructure dense confère au RSiC un faible coefficient de dilatation tout en conservant sa résistance et sa rigidité à haute température. En outre, il présente des valeurs de module élastique relativement plus élevées que celles de la céramique de zircone structurale et un faible coefficient de dilatation thermique par rapport à la céramique de zircone structurale.