Carbure de silicium Diamant

Le carbure de silicium est extrêmement dur, mais moins que le diamant. Il se classe néanmoins au deuxième rang des matériaux extrêmement durs.

Les préformes de diamant poreux liées au carbone subissent une infiltration par force capillaire de silicium à des températures supérieures à son point de fusion, après quoi le liant de carbone se transforme en graphite.

Conductivité thermique

Le diamant en carbure de silicium est un matériau à très haute température doté d'une excellente conductivité thermique, largement utilisé dans les domaines de l'électricité, de l'électronique et de l'ingénierie industrielle. Les applications comprennent le refroidissement et le chauffage des semi-conducteurs, des transistors et des LED de puissance, ainsi que les applications d'éclairage des écrans LED. La conductivité thermique des composites SiC/diamant dépend de plusieurs facteurs, notamment la quantité et la taille du diamant, la composition du liant et la structure des interfaces entre les composants, ainsi que l'impact de la couche intermédiaire graphitique sur la conductivité thermique de ce matériau.

Depuis la dernière décennie, la création de matériaux hautement résistants à l'usure et dotés d'une excellente conductivité thermique est un objectif permanent de la recherche et du développement. Les matériaux en "diamant de carbure de silicium" peuvent être produits par infiltration de silicium liquide par des forces capillaires à des températures supérieures à 1425 degrés Celsius pour former des structures cubiques en b-SiC qui pourraient remplacer les matériaux en acier traditionnels comme roulements, joints ou garnitures dans les applications industrielles.

Pour obtenir une conductivité thermique optimale dans les composites SiC/diamant, il est possible d'utiliser une distribution bimodale de grains de diamant de différentes tailles et fractions afin d'augmenter la conductivité thermique. Les systèmes bimodaux offrent une conductivité thermique nettement supérieure à celle des systèmes monomodaux en raison de la présence de couches atomiques graphitiques entre les grains de diamant et leur matrice d'accueil en SiC.

En outre, les couches atomiques graphitiques sont alignées perpendiculairement à l'interface, créant des systèmes bimodaux avec des surfaces relativement grandes qui augmentent la conductivité thermique. La conductivité thermique augmente encore si le diamant est fritté à des températures plus élevées ou maintenu pendant des temps de maintien plus courts lors de l'infiltration de silicium, ce qui la rend supérieure à celle du b-SiC pur ! En outre, la conductivité thermique des matériaux dépend également de la quantité de silicium et de diamant libres.

Dureté

Le carbure de silicium, composé d'atomes de silicium et de carbone, a une dureté de Mohs exceptionnelle de 9,5 et se classe donc juste derrière le diamant en termes de dureté. En raison de sa résistance et de sa durabilité, le carbure de silicium trouve de nombreuses utilisations industrielles.

Le carbure de silicium partage de nombreuses propriétés avec le diamant, notamment sa structure cristalline tétraédrique - quatre atomes de chaque élément se partagent un réseau cubique à faces centrées pour former de fortes liaisons covalentes similaires aux fortes liaisons tétraédriques du diamant - ainsi qu'une résistance élevée à la traction et un faible coefficient de frottement, ce qui fait de ces deux matériaux d'excellentes pièces à usiner.

Le carbure de silicium peut être produit à l'aide de plusieurs techniques, le carbure de silicium synthétique étant produit par la fusion de sable de quartz, de coke de pétrole (ou de charbon), de copeaux de bois ou d'autres matières premières dans des fours à haute température. Une fois créé, le carbure de silicium présente une dureté, un point de fusion élevé et résiste à l'oxydation, même dans des conditions de température extrêmes.

Le carbure de silicium a de nombreuses utilisations pratiques dans l'industrie. L'une de ces applications est la fabrication d'abrasifs. Grâce à ses propriétés exceptionnelles de résistance et de solidité, le carbure de silicium est un élément indispensable des papiers de verre, des meules et des outils de coupe. Le carbure de silicium est également utilisé comme composant d'isolation dans les fours industriels, comme pièces résistantes à l'usure sur les pompes et les moteurs de fusée et comme substrats semi-conducteurs utilisés pour les diodes électroluminescentes (DEL).

Il existe plusieurs méthodes de production du carbure de silicium. Les techniques traditionnelles font appel à un processus de frittage dans lequel le silicium et le carbone en poudre sont combinés dans un bain de fusion à haute pression pour former un bloc de carbure de silicium fritté qui peut ensuite être découpé selon les formes et les tailles souhaitées. Une autre solution consiste à faire réagir du silicium liquide avec du graphite poreux ; on obtient ainsi de la moissanite synthétique noire qui possède certaines des mêmes propriétés mécaniques sans être aussi coûteuse.

Des matériaux diamantés liés au carbure de silicium spécialement produits avec des couches graphitiques à l'interface se sont révélés exceptionnellement résistants, dépassant même les interfaces diamant/SiC sans graphite, bien qu'il ne soit pas certain que cela soit dû aux couches graphitiques interfaciales.

Stabilité chimique

Les diamants en carbure de silicium sont des matériaux extrêmement résistants, dotés d'une excellente stabilité chimique, qui conviennent aux applications d'usure telles que les joints, les inliners et les buses. En outre, ces diamants constituent d'excellents outils de coupe. En raison de leur structure cristalline solide et de leurs bonnes propriétés de dureté, l'usinage des diamants en carbure de silicium est relativement simple par rapport à de nombreux autres matériaux durs et ils possèdent également un faible coefficient de frottement, ce qui les rend adaptés aux utilisations industrielles.

Les diamants en carbure de silicium ont connu un développement rapide en raison des exigences accrues en matière de résistance à l'usure. Le carbure de silicium, un composé inorganique composé de carbone et de silicium avec une structure cristalline hexagonale, peut être produit sous différentes formes et tailles. Edward Goodrich Acheson a créé le premier composé de carbure de silicium en 1891 en chauffant de l'argile et du coke en poudre dans un bol en fer jusqu'à la formation de cristaux bleus connus sous le nom de carborundum - Acheson pensait que ce matériau aurait une valeur supérieure à celle du charbon car il pourrait être utilisé pour fabriquer des métaux.

Le carbure de silicium diffère grandement du diamant pur en ce sens qu'il présente une plus grande stabilité à haute température et un faible coefficient de frottement, tout en étant nettement moins cher. C'est pourquoi le carbure de silicium est devenu le matériau de prédilection pour les utilisations industrielles.

Utilisée comme poudre d'assise pour les préformes en diamant-siC, la poudre d'assise a-Si3N4 empêche la formation de carbure de silicium et de couches de corporation, ce qui augmente considérablement la résistance de l'interface diamant-siC par rapport aux échantillons conventionnels noyés dans le silicium fondu.

Cependant, la nature exacte de ces interfaces reste largement inexpliquée. Elle pourrait résulter de liaisons plus faibles entre les plans graphitiques ou de phases différentes à l'interface, ce qui nécessite des recherches plus approfondies pour être pleinement compris.

La spectrométrie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) a été utilisée pour évaluer la distribution de la densité atomique dans une couche amorphe constituée d'un matériau 3 C-SiC/diamant. Une réduction progressive a été observée dans les profils d'intensité pour les atomes de carbone et de silicium près de leur interface de liaison, le carbone présentant une pente moins raide. Les profils de densité du silicium sont légèrement concaves, tandis que ceux du carbone sont plus graduels.

Microstructure

Les diamants sont des gemmes naturelles formées au cours de millions d'années, mais leur production peut être réalisée de manière synthétique dans un laboratoire pour un coût bien moindre. Le carbure de silicium, une autre pierre précieuse synthétique aux propriétés similaires mais beaucoup moins coûteuse, est beaucoup plus durable et rentable. Son indice de réfraction élevé lui permet de refléter la lumière plus efficacement que les autres pierres précieuses, tandis que sa durabilité lui permet d'être porté tous les jours. En outre, son faible point de fusion lui permet de résister aux températures élevées et aux produits chimiques sans se fissurer sous la pression.

La microstructure des composites diamant-carbure de silicium est généralement constituée de réseaux tridimensionnels interpénétrés composés de SiC et de diamant. La taille et la morphologie des particules déterminent la structure finale des carbures de silicium à triple jonction ; en général, les couches atomiques de l'interface graphitique s'orientent perpendiculairement à la surface du diamant/SiC pour former des liaisons étroites avec elle - leur épaisseur étant généralement bien inférieure à la longueur de liaison entre les atomes de carbure de silicium et les couches atomiques de diamant.

Pour obtenir une conductivité thermique optimale du diamant en carbure de silicium, il est essentiel de comprendre comment ses atomes interagissent. Un faisceau de rayons X synchrotron peut être utilisé pour examiner les interfaces entre le diamant et le carbure de silicium ainsi que leurs paramètres structurels et leur interaction. Les résultats ont montré de faibles interactions interparticulaires ; les zones de contact entre le diamant et les particules de carbure de silicium contiennent des couches de carbone vitreux, des couches limites graphitiques et des micropores - ce qui indique une mauvaise conductivité thermique du diamant.

Le carbure de silicium et le diamant interagissent étroitement, mais sa résistance dépend également de sa microstructure. Cette microstructure consiste en un réseau tridimensionnel de particules de diamant et de carbure de silicium dont la surface n'est recouverte que d'un minimum de couches intermédiaires graphitiques ; en outre, cette microstructure détermine également les propriétés mécaniques telles que la résistance à la rupture.

La résistance d'un échantillon en porte-à-faux augmente à mesure que les interfaces diamant/SiC s'inclinent vers l'extrémité chargée, comme le montrent les simulations de dynamique moléculaire des interfaces parallèles. Un échantillon avec une inclinaison de 40 nanomètres s'est avéré particulièrement solide.