Un nouveau procédé pour le recyclage du carbure de silicium

Le carbure de silicium est un matériau à haut rendement énergétique qui peut permettre aux véhicules électriques de parcourir de plus grandes distances sans nécessiter de systèmes de refroidissement actifs et contribuer à réduire la taille et le poids des systèmes de gestion des batteries embarquées.

Des chercheurs de l'université Rice ont mis au point un processus innovant de recyclage des déchets de SiC pulvérisés en matières premières de haute qualité, connu sous le nom de "flash upcycling". Ce procédé est économe en énergie et crée un sous-produit vert.

Carbure de silicium recyclé

La production de carbure de silicium peut être énergivore et produire des déchets importants. Les chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour les technologies et les systèmes céramiques IKTS de Dresde et leur partenaire industriel ESK-SiC GmbH ont créé un processus écologique qui recycle ces déchets en carbure de silicium de haute qualité, ce qui permet d'économiser de l'énergie, de réduire les niveaux de pollution et de conserver les matières premières dans le processus.

Le SiC recristallisé en poudre est bien adapté aux applications impliquant des processus d'usinage, des traitements de surface, des céramiques de protection balistique et des matériaux filtrants. En outre, ce matériau recyclé est plus résistant aux chocs et aux fissures que le SiC traditionnel, ce qui le rend plus facile à travailler ; il améliore encore sa recyclabilité en conservant sa dureté après le traitement thermique - une condition préalable essentielle à la transformation ultérieure en produits utiles.

Le matériau SiC retraité présente généralement une granulométrie comprise entre 50 et 120 microns en fonction de son application, ce qui le rend adapté aux applications de meulage et de coupe, ou même comme alternative au sable naturel pour le ponçage, où son volume de particules plus faible permet une action de meulage équivalente avec un débit plus élevé.

Le carbure de silicium retraité peut également être utilisé dans la production de creusets en SiC lié à la réaction et au nitrure en raison de sa faible réactivité et de ses propriétés de dureté élevées, ce qui le rend plus adapté que le SiC granulaire conventionnel à cette fin. En outre, ses excellentes performances en matière de frittage et de moulage font du SiC retraité un excellent substitut à l'utilisation actuelle dans ces applications.

Le carbure de silicium retraité présente généralement des grains d'une taille comprise entre 60 microns et une porosité de 90 %, avec une structure poreuse résistante aux chocs, plus résistante que celle que l'on trouve dans les granulés de SiC traditionnels. En outre, ses coûts de production et sa consommation d'énergie peuvent être inférieurs à ceux des méthodes de production de sable naturel ; enfin, il conserve une dureté élevée après traitement thermique - des propriétés essentielles pour les applications à haute température.

Le processus

La production de carbure de silicium nécessite des processus à forte intensité énergétique qui produisent d'importants volumes de déchets poudreux. Des chercheurs du Fraunhofer IKTS ont trouvé une solution pour recycler ce sous-produit poudreux en carbure de silicium de haute qualité, réduisant ainsi la pollution industrielle tout en transformant les déchets en précieuses ressources en matières premières. Leur nouveau procédé, appelé RECOSiC, réduit considérablement les niveaux de pollution industrielle tout en transformant cette pollution en sources de matières premières précieuses.

Le SiC est produit en mélangeant du sable siliceux avec du coke finement broyé dans un four électrique, où un courant électrique passe à travers un conducteur de carbone pour provoquer une réaction chimique qui forme des gaz de silicium et de monoxyde de carbone qui sont ensuite filtrés pour laisser un mélange de sable siliceux pur qui peut ensuite être broyé et calibré en grains ou en poudres de différentes tailles.

Les produits en carbure de silicium ont de nombreuses applications dans divers domaines. Le carbure de silicium présente plusieurs caractéristiques intéressantes, telles qu'une solidité, une résistance à la corrosion et une conductivité thermique extrêmement élevées ; en outre, il constitue un excellent isolant électrique, ce qui facilite la création de dispositifs électroniques avancés tels que les cartes de circuits imprimés à semi-conducteurs.

La structure cristalline unique du carbure de silicium lui confère des propriétés particulières. Il se présente sous la forme de structures étroitement empilées avec des liaisons covalentes entre ses atomes. Ils sont organisés en deux tétraèdres de coordination primaires contenant chacun quatre atomes de silicium et quatre atomes de carbone, liés entre eux et empilés pour former des polytypes aux propriétés physiques différentes.

Le carbure de silicium se présente sous différentes formes et tailles. Les exemples les plus courants sont les tétraèdres, les sphères, les tiges et les hexagones ; des couches résistantes à l'usure infusées avec du silicium liquide peuvent produire du carbure-nitrure de silicium (SiNx) ; il peut même être cultivé sous forme de grands cristaux uniques connus sous le nom de "pierres précieuses de Lely".

Le carbure de silicium est actuellement utilisé dans de nombreuses industries, depuis les abrasifs et les abrasifs appliqués jusqu'à l'électronique de puissance pour les véhicules électriques. Son utilisation permet de réduire le frottement et les coûts, d'améliorer l'efficacité et de prolonger la durée de vie des batteries - des caractéristiques qui ont rendu son utilisation attrayante dans ces applications. Le carbure de silicium s'est avéré particulièrement efficace pour réduire les coûts de friction tout en réduisant les coûts et en améliorant les performances par rapport à d'autres matériaux.

Les matériaux

Le carbure de silicium, communément appelé carborundum, est un composé chimique dur composé de silicium et de carbone qui existe à l'état naturel sous la forme d'un minéral rare, la moissanite, et qui est produit en masse depuis 1893 pour être utilisé comme abrasif. En raison de sa longue durée de vie et de ses besoins minimaux de remplacement, le carbure de silicium aide les entreprises et les consommateurs à réduire la production de déchets, contribuant ainsi à réduire l'impact sur l'environnement tout en économisant sur les frais d'élimination et les besoins de remplacement.

La carbidine de silicium a de nombreuses utilisations industrielles. Elle présente une excellente conductivité électrique et thermique, un point de fusion élevé, une faible densité, une forte résistance mécanique et peut supporter des températures très élevées sans se fissurer, ce qui la rend utile pour les opérations de coupe, de meulage et de polissage. La carbidine de silicium est également une matière première essentielle dans la fabrication de céramiques techniques et de réfractaires, dans l'électronique des semi-conducteurs, dans les roues/disques/scies à fil/produits abrasifs de haute performance, ainsi que dans les applications de matériaux composites avec l'acier.

La production de carbure de silicium repose sur deux matières premières primaires, le sable de quartz et le coke de pétrole. À l'échelle industrielle, la production se fait selon le procédé Acheson, qui consiste à chauffer un mélange dans des fours à ciel ouvert à environ 2 300 degrés Celsius pour une réduction carbothermique, avant de le broyer en particules pour un traitement ultérieur. Malheureusement, cette méthode génère d'importantes émissions de CO2 : environ 2,4 tonnes sont émises par tonne de SiC produite à l'aide de cette technique.

Dans le cadre d'un effort visant à réduire son impact écologique, le recyclage des boues produites lors de la synthèse serait utile pour produire des déchets de SiC de haute qualité et diminuer l'approvisionnement en sources naturelles. Cela permettrait de produire des déchets de SiC à base de boues abrasives tout en réduisant les coûts liés à l'acquisition de matières premières naturelles.

Cet article étudie les propriétés, en particulier la granulométrie, des déchets de carbure de silicium recyclé en vue de leur inclusion potentielle dans de nouvelles recettes cimentaires. Notre objectif était de voir si nous pouvions remplacer les déchets de carbure de silicium recyclé avec des effets minimes sur la granulométrie globale et les caractéristiques de grain du béton ; les résultats de notre étude indiquent que ce matériau peut effectivement servir à cette fin, avec des valeurs similaires à celles d'autres agrégats minéraux.

Les produits finis

Le carbure de silicium, un matériau industriel couramment utilisé dans des applications allant des composants réfractaires aux semi-conducteurs, est très recherché, mais sa production nécessite des processus à forte intensité énergétique qui rejettent de grandes quantités de CO2. Aujourd'hui, des chercheurs ont mis au point un moyen écologique de recycler ce matériau en retransformant les sous-produits et les déchets en carbure de silicium de haute qualité.

Le procédé RECOSiC (c) recycle les déchets de SiC pulvérulents générés par la production en carbure de silicium qui peut être réutilisé dans des produits et des processus connus, ce qui permet d'augmenter les rendements tout en réduisant la dépendance à l'égard des fournisseurs de matières premières.

Pour créer du carbure de silicium, il faut chauffer du sable de quartz et du coke de pétrole dans des fours Acheson à ciel ouvert. Malheureusement, cela génère de grandes quantités de sous-produits qui ne peuvent pas être utilisés dans des applications de haute qualité en raison de leur granulométrie et de leur capacité de coupe insuffisantes. En outre, la contamination par le flux d'air constitue une autre menace sérieuse lorsqu'il s'agit de fours ouverts aussi gigantesques.

Pour recycler le carbure de silicium, les déchets et les boues doivent d'abord être séparés et purifiés. Le procédé RECOSiC utilise le chauffage flash par effet Joule pour augmenter rapidement leur température avant de les combiner avec du silicium liquide pour produire du carbure de silicium secondaire qui est ensuite infiltré avec du silicium liquide pour diminuer la porosité et augmenter la pureté du carbure de silicium primaire.

Une fois purifié, le carbure de silicium subit un traitement thermique critique de déliantage et de pyrolyse dans un four, où des conditions sans oxygène sont utilisées pour le chauffer afin d'extraire sa teneur en carbone et de brûler les restes de liant - cette étape permet également d'augmenter la pureté jusqu'à 98% !

Le carbure de silicium recyclé peut être utilisé à de nombreuses fins, qu'il s'agisse de produits abrasifs tels que le papier de verre, les meules ou les disques, ou de matériaux composites avec l'acier. Parmi les autres applications du SiC recyclé figurent les réfractaires à haute température, les céramiques de protection balistique pour la technologie militaire et la technologie automobile/environnementale (filtre à particules diesel). Le SiC retraité produit par le procédé RECOSiC contient principalement des structures cristallines hexagonales (a-SiC), tandis que le carbure de silicium bêta (b-SiC).