Utilisation du carbure de silicium

Le carbure de silicium, communément appelé carborundum /karb@rndu/, est un composé cristallin synthétique extrêmement dur de silicium et de carbone qui est utilisé depuis longtemps comme matériau abrasif et résistant à l'usure dans divers domaines tels que les réfractaires et les céramiques, la production de pièces résistantes à l'usure, la production de substrats de diodes électroluminescentes et de substrats de semi-conducteurs pour les diodes électroluminescentes (DEL). Depuis la fin du 19e siècle, il sert également de substrat semi-conducteur pour les diodes électroluminescentes (DEL).

L'électronique de puissance qui fonctionne à des températures et des tensions élevées s'appuie également sur ce matériau pour assurer un fonctionnement fiable.

Disques de frein haute performance

Le carbure de silicium (SiC), communément appelé carborundum depuis 1891, est largement produit depuis sa découverte et sa mise en production de masse. Il est principalement utilisé dans des applications nécessitant une durabilité extrême, telles que les freins et les embrayages automobiles, ainsi que les plaques de gilets pare-balles contenant des plaques de céramique fabriquées à partir de ce composé, dont la dureté est de 9 sur l'échelle de Mohs, soit la deuxième plus grande dureté parmi les substances naturelles, après le diamant.

Le SiC est relativement facile à usiner et à fabriquer, ce qui en fait un choix populaire pour les composants qui entrent en contact avec des températures élevées, comme les disques de frein. Comme leurs surfaces de frottement peuvent atteindre des températures qui feraient fondre l'acier ou endommageraient d'autres matériaux, de nombreux systèmes de freinage utilisent des disques ventilés avec de multiples trous ou fentes conçus pour libérer les gaz générés par l'échauffement de leur surface de frottement.

Le SiC est produit par divers fabricants pour être utilisé dans les industries des abrasifs, de la métallurgie et des réfractaires. Edward Acheson a mis au point une méthode efficace pour créer ce matériau en 1891. En plaçant du sable de silice pur avec du charbon de coke broyé dans un four chauffé à l'électricité, puis en faisant passer un courant électrique, on obtient des réactions chimiques qui produisent de petits cristaux de SiC qui sont broyés sous forme de poudre pour un usage commercial.

Armure à l'épreuve des balles

Le carbure de silicium (SiC) est un composé cristallin synthétique ultra-dur composé de silicium et de carbone, dont la dureté n'est dépassée que par celle du carbure de bore et du diamant sur l'échelle de Mohs. Depuis la fin du XIXe siècle, il est utilisé dans des composants résistants à l'usure tels que les meules, les outils de coupe et le papier de verre, en raison de sa dureté et d'autres propriétés souhaitables. En outre, il entre dans la composition de matériaux réfractaires, de céramiques ou même de substrats semi-conducteurs pour les diodes électroluminescentes (DEL).

Edward Acheson a été le premier à produire artificiellement de la moissanite vers 1891, lorsqu'il a découvert de manière inattendue de petits cristaux noirs au cours d'un processus de chauffage de mélanges de carbone et d'alumine, ce qui l'a amené à créer le processus Acheson et à en assurer la production commerciale. Son équivalent naturel ne se trouve que dans les météorites ou dans certains matériaux réfractaires.

Le SiC est composé de couches étroitement empilées, reliées entre elles par des liaisons covalentes. Chacune de ces couches contient deux tétraèdres de coordination primaires composés de quatre atomes de silicium et de quatre atomes de carbone, disposés selon diverses dispositions pour former différents polytypes de SiC ; ces structures offrent une dureté extrême avec des propriétés physiques individuelles qui varient considérablement.

Le SiC est un matériau idéal pour les composants soumis à des charges et des températures extrêmes, notamment les roulements de pompe, les soupapes, les injecteurs de sablage, les applications d'étanchéité d'arbre à grande vitesse ainsi que les miroirs des grands télescopes astronomiques, en raison de la combinaison de ses propriétés de résistance, de rigidité, de conductivité thermique et de faible dilatation thermique. En raison de ces caractéristiques, il est souvent utilisé dans des applications d'ingénierie nécessitant des composants présentant ces caractéristiques, tels que les roulements de pompe, les soupapes, les injecteurs de sablage ainsi que l'étanchéité des arbres à des vitesses élevées.

Matériaux semi-conducteurs

Le carbure de silicium a connu un extraordinaire regain de popularité en raison de l'augmentation de la demande en électronique de puissance. La combinaison de ses propriétés physiques et électroniques le rend idéal pour produire des champs électriques de rupture plus élevés, des pertes de commutation plus faibles et une plus grande efficacité énergétique.

Le carbure de silicium, qui est normalement un isolant, peut être transformé en semi-conducteur en le dopant avec certaines impuretés. Lorsqu'il est dopé avec des dopants d'aluminium, de bore, de gallium ou d'azote (semi-conducteur de type P), le carbure de silicium se comporte comme un semi-conducteur de type N ; lorsqu'il est dopé avec des dopants de phosphore, il se comporte comme un semi-conducteur de type N. Les agents dopants affectent la mobilité des électrons en termes de structure de bande - les électrons se déplacent le long des bandes de conduction tandis que les trous se déplacent le long des bandes de valence.

Le SiC est connu pour avoir une bande interdite exceptionnellement large, ce qui lui permet d'atteindre des champs électriques de rupture beaucoup plus élevés que le silicium conventionnel. Cela permet de réduire les pertes de commutation et l'utilisation de composants plus petits, ce qui se traduit par une plus grande efficacité énergétique, un atout particulièrement précieux dans les systèmes de conversion de l'énergie des véhicules électriques qui doivent résister à des tensions et à des températures plus élevées.

Le carbure de silicium peut également être utilisé dans des matériaux composites, tels que le carbure de silicium renforcé de fibres de carbone (CFRC), pour produire des structures à la fois solides et légères qui résistent à des températures et à des contraintes extrêmes, telles que celles subies lors du freinage. En outre, le carbure de silicium entre dans la composition de blindages pare-balles tels que le blindage Chobham, car il peut résister à des impacts à grande vitesse.

Stockage de l'énergie

Le carbure de silicium (SiC), communément appelé carborundum, est un matériau extrêmement solide et tranchant, dont la résistance à la traction est la plus élevée de tous les matériaux naturels. Cristallisé en liaisons covalentes serrées de 4 atomes de silicium et de 4 atomes de carbone, le carbure de silicium est très résistant aux acides inorganiques, aux sels et aux alcalis, tout en possédant l'une des résistances à la traction les plus élevées disponibles aujourd'hui.

La moissanite, qui existe à l'état naturel sous la forme d'un minéral rare, est produite en masse sous forme de poudre depuis 1907 pour diverses utilisations telles que les meules abrasives et les applications céramiques dures telles que les freins et les embrayages des voitures, ainsi que les plaques céramiques des gilets pare-balles. Depuis 1907, elle est également utilisée dans des applications électroniques telles que les diodes électroluminescentes (DEL) et les détecteurs.

Le SiC pur est un isolant électrique. Cependant, en ajoutant des dopants tels que l'azote et le phosphore (les dopants sont utilisés pour modifier les propriétés des matériaux), les dopants permettent au SiC de se comporter comme un semi-conducteur et d'aider les dispositifs d'électronique de puissance à passer efficacement de l'état conducteur à l'état non conducteur afin de générer ou de consommer de l'énergie de manière efficace.

Les semi-conducteurs SiC offrent des améliorations significatives par rapport aux semi-conducteurs traditionnels au silicium en ce qui concerne les pertes de tension et de courant, l'efficacité thermique et la réduction de la taille et du poids par rapport à leurs homologues au silicium. Ainsi, le SiC est idéal pour les onduleurs et les convertisseurs DC/DC que l'on trouve dans les véhicules électriques afin de faciliter la charge rapide en DC tout en réduisant la taille et le poids des composants électroniques de puissance essentiels. Il peut même fonctionner à des températures/fréquences plus élevées que les semi-conducteurs classiques !