Recyclage du carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) s'est imposé comme un matériau technologique incontournable. Il est utilisé dans la fabrication d'abrasifs, de céramiques techniques et de matériaux réfractaires, ainsi que dans la fabrication de semi-conducteurs.

Obtenu en chauffant à haute température du sable siliceux mélangé à du carbone sous forme de coke de pétrole dans d'immenses fours ouverts de type “ Acheson ”, le SiC est ensuite produit sous deux formes, « verte » et « noire », destinées à être utilisées comme matériaux de construction.

Abrasif

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau industriel qui trouve de nombreuses applications dans la production d'abrasifs, la fabrication de puces semi-conductrices et la fabrication de radios à cristal (voir l'image ci-dessous). Le SiC pur est incolore ; cependant, des impuretés de fer lui confèrent une teinte allant du brun au noir. De plus, le SiC sert à la fois de catalyseur et de matériau pour les fours à haute température – alors, qu'est-ce qui pourrait bien mal tourner ?

Le sciage au fil des plaquettes de silicium génère d'importants volumes de déchets sous forme de boue de SiC. Ce mélange contient du SiC sous forme de poudre, qui confère dureté et performances de coupe, ainsi que du polyéthylène glycol (PEG), qui sert à la fois de vecteur et de liquide de refroidissement. Au cours des opérations de sciage, la distribution granulométrique change et le mélange se contamine de particules de poussière ; pour pouvoir être réutilisé, il doit donc être purifié avant d’être réemployé.

Des chercheurs de l'université Rice mettent au point une nouvelle méthode de valorisation des déchets de lingots de silicium afin d'obtenir un produit abrasif économe en énergie, rentable et de haute qualité, en recourant à l’extraction liquide-liquide et à la dissolution alcaline pour produire un mélange de poudres contenant 72% de SiC et 28% de silicium – qui servira ensuite à meuler, polir ou poncer des objets ; on le retrouve même dans les avions ou les éoliennes !

Véhicules électriques

L'électronique de puissance est au cœur des véhicules électriques (VE) et sera le moteur de l'électrification massive de l'automobile. Le carbure de silicium (SiC) est devenu un matériau de substitution très intéressant dans les systèmes de conversion d’énergie, tels que les onduleurs de traction principaux des véhicules électriques à batterie (BEV) et des véhicules à pile à combustible (FCEV) ; il permet en effet d’améliorer le rendement énergétique, de réduire les pertes de commutation, d’assurer un fonctionnement plus sûr à haute température et d’augmenter la capacité de tension au sein de systèmes plus compacts et plus légers.

Le SiC est devenu un matériau incontournable dans le secteur des véhicules électriques (VE), qu’il s’agisse de petits onduleurs, de grands convertisseurs ou d’accumulateurs. Ce domaine recèle un immense potentiel de croissance pour les fabricants de technologies à base de SiC ; il est donc impératif qu’ils se tiennent informés des évolutions susceptibles de modifier la demande pour leurs produits.

Les nouveaux véhicules électriques sont équipés de batteries d'une capacité bien supérieure et exigent davantage de puissance de la part de leurs onduleurs pour gérer cette charge, ce qui nécessite un plus grand nombre de MOSFET par onduleur et pourrait entraîner une hausse de la demande en MOSFET au carbure de silicium.

Pour répondre à cette demande croissante, les entreprises doivent élaborer une stratégie de recyclage solide qui tienne compte des dynamiques du marché, de la chaîne de valeur et des technologies. Celles qui parviendront à développer rapidement les compétences clés et à nouer des partenariats favorisant le développement du secteur des véhicules électriques bénéficieront d’un avantage concurrentiel et créeront de la valeur ; cela impliquera également de revoir les délais de réinvestissement afin de s’assurer qu’elles ne prennent pas de retard par rapport à la courbe de la demande.

Semi-conducteurs

Le carbure de silicium (SiC) est un minéral industriel synthétique largement utilisé dans de nombreux secteurs en raison de ses propriétés exceptionnelles, telles que sa dureté, sa résistance aux hautes températures et sa résistance chimique. Alors que la moissanite ne se trouve à l'état naturel qu'en quantités infimes dans certaines météorites ou certains gisements de corindon, la majeure partie du SiC produit aujourd'hui se présente sous forme synthétique, sous forme de granulés ou de poudre.

Malheureusement, une grande partie des matières qui parviennent jusqu’aux chaînes de production finissent par devenir des sous-produits des processus de fabrication, et une grande quantité de scories (contenant du silicium et du carbone) est généralement rejetée dans des fours en tant que déchets. Jusqu’à présent, les seules options disponibles étaient l’incinération ou la solvolyse, deux procédés très gourmands en énergie et générant des sous-produits dangereux.

Des chercheurs ont mis au point un procédé appelé « flash upcycling » permettant de transformer ces scories en carbure de silicium (SiC) de haute qualité. Grâce à un chauffage à des températures pouvant atteindre 2 400 °C dans un four à atmosphère inerte, le « flash upcycling » permet d'obtenir du carbure de silicium pur pouvant être utilisé dans de nombreuses applications.

Il existe certes des procédés de séparation et de purification pour ces scories, mais leur capacité à permettre la récupération de matériaux destinés à des applications haut de gamme est limitée en raison de contraintes liées à la granulométrie et à des problèmes de performance de coupe ; les méthodes de recyclage actuelles se traduisent par un « downcycling » ou une mise en décharge ; Le Fraunhofer IKTS a mis au point une méthode abordable de recyclage des déchets de SiC sous forme de poudre, utilisant des procédés et des produits simples et économiques.

Médical

Le carbure de silicium est une céramique non oxydée, dure et résistante, dotée d’un éventail impressionnant de propriétés physiques et chimiques, telles qu’une résistance élevée, une faible dilatation thermique et sa capacité à supporter des températures extrêmes – des qualités qui en ont fait un matériau très prisé en tant que matériau réfractaire, mais aussi pour la fabrication de composants électroniques de puissance destinés aux véhicules électriques et aux émetteurs sans fil 5G. Malheureusement, les coûts de production du carbure de silicium restent relativement élevés.

Le SiC est largement reconnu pour sa forme cristalline de très haute qualité, utilisée dans des applications médicales telles que les outils de coupe et les implants chirurgicaux. Selon certaines estimations, ses coûts de production annuels pourraient atteindre pas moins de $1,5 milliard !

Des chercheurs ont mis au point avec succès un procédé respectueux de l'environnement permettant de produire du carbure de silicium à partir de déchets de verre et de plastique. En recourant à un procédé de surcyclage « flash » économe en énergie, ils ont transformé des plastiques renforcés de fibres de verre (PRV) en fin de vie en carbure de silicium (SiC). Le GFRP est un matériau très répandu, que l'on retrouve partout, des pièces d'avion aux pales d'éoliennes, mais ses propriétés de résistance et de durabilité rendent souvent son recyclage difficile lorsqu'il arrive en fin de vie.

Le « flash upcycling » constitue une alternative écologique à l'incinération et à la solvolyse, qui font appel à des produits chimiques toxiques. De plus, l'analyse du cycle de vie montre que ce système régénératif entraîne une consommation d'énergie, des émissions de gaz à effet de serre et une consommation d'eau moindres que les méthodes traditionnelles d'élimination des matériaux composites renforcés de fibres de verre (FRP).