Qu'est-ce que le carbure de silicium ?

Le carbure de silicium est un matériau extrêmement dur et résistant, doté d'une densité élevée, d'une résistance exceptionnelle à la corrosion et de propriétés tribologiques remarquables. Il est disponible sous forme frittée ou liée à la réaction.

Le frittage sans pression permet une densification élevée grâce à la réduction de l'énergie de surface des grains due à la réaction du bore et du carbone1, mais sa température élevée entraîne une croissance excessive des grains qui compromet les propriétés mécaniques.

La force

Le carbure de silicium, communément appelé carborundum, est un composé chimique dur composé de silicium et de carbone qui existe à l'état naturel dans des minéraux rares comme la moissanite ; toutefois, il est plus couramment produit en masse sous forme de poudre et de granulés pour être utilisé comme abrasif et comme plaques de céramique dans les gilets pare-balles. Le carborundum peut supporter des températures élevées tout en restant résistant aux produits chimiques, notamment aux acides comme les acides phosphorique, sulfurique et nitrique.

Le carbure de silicium fritté a trouvé une large application dans toutes les industries, de l'aérospatiale à l'astronomie, en raison de ses remarquables propriétés d'isolation thermique. Le carbure de silicium fritté, matériau réfractaire, présente également une durabilité impressionnante et peut être usiné avec précision à l'aide d'équipements coûteux pour obtenir des tolérances précises.

La céramique de carbure de silicium existe en deux variétés : le carbure de silicium lié par réaction et le carbure de silicium fritté. Le carbure de silicium lié par réaction est fabriqué par infiltration de compacts composés de SiC et de carbone avec du silicium liquide, créant plus de SiC qui se lie aux particules initiales, formant plus de particules de carbure de silicium liées par réaction qui adhèrent plus facilement que leurs homologues frittés, tout en restant rentables en raison d'une résistance et d'une dureté réduites.

Le carbure de silicium fritté est produit en chauffant des matières premières à des températures extrêmement élevées dans une atmosphère inerte, les transformant en un matériau extrêmement résistant qui peut être utilisé dans diverses applications telles que les pièces d'usure pour les pompes à sable et les cyclones miniers. En outre, il présente une excellente résistance à la corrosion ainsi que de faibles propriétés de dilatation thermique.

Dureté

Le carbure de silicium lié par réaction (RSiC) est produit par pressage et frittage (chauffage) de particules de poudre, créant ainsi une pièce solide de matériau présentant une résistance élevée, une grande dureté, une résistance à la corrosion et à l'oxydation, mais pas aussi dure que le carbure de silicium fritté.

Le carbure de silicium fritté est une céramique technique à fortes liaisons covalentes, qui présente d'excellentes propriétés mécaniques à haute température. Ce matériau présente une grande dureté et une bonne résistance à l'usure, à la corrosion chimique, à l'oxydation et aux chocs thermiques, ainsi qu'une très bonne conductivité thermique, ce qui permet de l'utiliser dans des environnements difficiles.

Le frittage en phase liquide produit des matériaux de haute pureté avec une microstructure régulière, plus compacte que les procédés de frittage à l'état solide. Les changements de taille au cours de la densification sont minimes ; des pièces précises de forme complexe peuvent être produites. Les additifs de frittage à base de bore et de carbone peuvent modifier les énergies des joints de grains et les énergies de surface tout en améliorant les taux de diffusion du volume et en limitant la formation de verre entre les grains.

Les résultats du frittage à l'état solide présentent une résistance au fluage par compression supérieure à celle de leurs homologues conventionnels en raison d'une augmentation de l'énergie cinétique du silicium cristallin et d'une accélération du mouvement des dislocations dans les régions granulaires, ainsi que d'une augmentation de la concentration en silicium métallique qui contribue à réduire les taux de fluage en ralentissant la diffusion du SiC à travers les joints de grains.

Résistance à la corrosion

Le carbure de silicium offre une excellente résistance à la corrosion, à l'oxydation et à l'usure - des qualités qui en font un matériau de choix pour les environnements difficiles où d'autres matériaux pourraient s'abîmer avec le temps. En outre, le carbure de silicium peut résister à des températures allant jusqu'à 1 900 degrés Celsius, ce qui le rend adapté au traitement chimique où l'équipement peut entrer en contact avec des produits chimiques et des gaz très acides qui se corrodent plus facilement que prévu.

Les céramiques de carbure de silicium fritté à l'état solide (SSiC) et de carbure de silicium infiltré se sont avérées stables dans diverses solutions chimiques, bien que ces dernières présentent une stabilité à la corrosion plus faible en raison de la présence de silicium libre. Pour explorer ces mécanismes, nous avons mené des expériences de corrosion à court et à long terme sur le SiSiC dans une solution de NaOH en utilisant à la fois des mesures précises de la profondeur de corrosion sur les surfaces polies et la microscopie électronique à balayage sur ses produits de corrosion.

Le carbure de silicium lié par réaction (RBSiC) est produit en infiltrant du silicium liquide dans des préformes poreuses en carbone ou en graphite et en le faisant réagir en SiC. Le RBSiC diffère de son homologue SSiC, plus cher, à plusieurs égards : il est moins résistant et moins dur, mais son coût de production est nettement inférieur et il est plus perméable au passage des gaz et des liquides ; il présente également une bonne résistance à l'abrasion, à la corrosion et aux chocs thermiques, ce qui permet de l'utiliser dans des applications telles que les buses de brûleurs ou les tubes de jet et de flamme ; enfin, il présente également une bonne résistance aux chocs thermiques, ce qui permet des changements de température rapides sans être affecté.

Conductivité thermique

Le carbure de silicium fritté possède l'une des conductivités thermiques les plus élevées parmi les matériaux céramiques non oxydés, ce qui le rend adapté aux applications impliquant des températures élevées, telles que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de SiC ou les applications de carbure de silicium lié par réaction.

Située près du noyau, sa structure cristalline contribue à augmenter la conductivité thermique pour une céramique à haute performance thermique. Capable de supporter des charges à haute température avec peu de dommages et de résistance à la corrosion, à l'oxydation et à la fatigue, ce matériau constitue un excellent choix pour les applications d'étanchéité des pompes, car il peut rester résistant à la pression et à la température pendant de longues périodes.

Ce type de céramique présente également une ténacité supérieure, ce qui signifie qu'elle résiste mieux aux chocs et aux vibrations que les autres matériaux céramiques. En outre, sa solidité et sa résistance à l'oxydation sont parmi les plus élevées de sa catégorie.

Le frittage en phase liquide (LPS) est une technique innovante de densification du carbure de silicium qui utilise des additifs de frittage à base d'oxyde eutectique pour densifier à des températures plus basses que traditionnellement, ce qui permet de réduire les coûts de production tout en diminuant la porosité du produit fini.

Les images HRTEM d'échantillons de LPS-SiC avec différents additifs de frittage montrent comment l'ajout d'additifs a uniformisé la distribution de la phase liquide parmi les grains de SiC, conduisant à une densification, une densité relative plus élevée et une résistivité électrique améliorée, qui sont des propriétés critiques pour les applications utilisant les fréquences des micro-ondes et des ondes millimétriques.