Estrutura e aplicações do carbeto de silício

O carbeto de silício é um composto cristalino de carbono e silício extremamente duro, produzido sinteticamente. É comumente usado em aplicações refratárias e resistentes ao desgaste, bem como em dispositivos de estado sólido, como diodos emissores de luz.

O inventor americano Edward G. Acheson fez essa descoberta enquanto procurava maneiras de produzir diamantes artificiais; ele batizou esse novo material de carborundum.

Propriedades físicas

A combinação exclusiva de alta condutividade térmica, baixa expansão térmica, dureza e resistência a ataques químicos do carbeto de silício faz dele um material versátil com muitas aplicações que vão desde ferramentas abrasivas e material estrutural (coletes à prova de balas e placas de freio de cerâmica para discos de freio de automóveis), para-raios e espelhos de telescópio até para-raios e para-raios. Além disso, o SiC também é usado como parte integrante da gama de condução de veículos elétricos, incluindo inversores que ajudam a conservar a energia de forma mais eficiente, permitindo sistemas de gerenciamento de baterias menores e mais leves.

Os fabricantes produzem carbeto de silício cúbico usando métodos de síntese à base de carbono ou de deposição de vapor químico, ambos exigindo energia, equipamentos e conhecimentos significativos para o sucesso.

O carbeto de silício contém duas ligações covalentes entre seus átomos de carbono que se formam pela sobreposição lateral de seus orbitais p, dando ao carbeto de silício seu brilho característico e levando ao seu nome comum de "moissanita", embora os cristais naturais de moissanita sejam relativamente escassos; a maior parte da moissanita disponível comercialmente hoje é criada sinteticamente.

Propriedades químicas

O carbeto de silício (comumente chamado de carborundum) é uma cerâmica industrial dura e durável usada em vários processos de produção. Ele tem desempenhado um papel inestimável no avanço da indústria e da tecnologia ao longo de muitos anos.

Os cristais de SiC oferecem uma gama diversificada de propriedades químicas devido à sua estrutura covalente distinta, na qual os átomos de silício e carbono formam fortes tetraedros de coordenação por meio de ligações covalentes que compartilham pares de elétrons em orbitais híbridos sp3. Esses tetraedros podem, então, ser organizados em vários padrões em uma estrutura cristalina, produzindo vários politótipos.

A disposição das camadas de silício e carbono em cada polímero determina suas propriedades eletrônicas. Assim, cada um deles tem diferentes energias de bandgap; as encontradas no a-SiC variam de 2,2eV a 3,3eV, dependendo de sua estrutura.

No entanto, impurezas como alumínio e nitrogênio podem ser adicionadas para alterar suas propriedades para um comportamento semelhante ao de um semicondutor, o que permite que dispositivos como IGBTs e MOSFETs atinjam altas tensões de ruptura com baixa resistência de ativação.

Propriedades elétricas

O carbeto de silício possui várias propriedades físicas e químicas exclusivas que o tornam um excelente material para aplicações de eletrônica de potência. Em comparação com o silício, seu bandgap mais amplo permite que os dispositivos eletrônicos operem em temperaturas, tensões e frequências mais altas do que seu equivalente em silício.

A cerâmica de classificação 9 na escala de Mohs, com propriedades superiores, como condutividade térmica e resistência a reações químicas e à corrosão, é amplamente utilizada em freios automotivos, coletes à prova de balas, ferramentas elétricas e muitos outros usos. Apresenta baixo coeficiente de expansão, excelente condutividade térmica e resistência à abrasão/desgaste. Com alta condutividade térmica e resistência à corrosão química, oferece propriedades ideais de gerenciamento térmico e é um excelente material de substituição em aplicações que envolvem freios automotivos, coletes à prova de balas ou ferramentas elétricas.

Produzido usando areia de sílica misturada com carbono (normalmente coque de petróleo) em altas temperaturas em um forno Acheson, o SiC verde e o SiC preto são produzidos como lingotes diferenciados por graus de pureza, como o A-SiC, com estrutura cristalina hexagonal semelhante à wurtzita, enquanto os graus metalúrgicos inferiores têm estruturas cristalinas de blenda de zinco semelhantes ao diamante.

Propriedades mecânicas

A produção moderna de carbeto de silício para uso nos setores de abrasivos, metalurgia e refratários envolve a mistura de areia de sílica finamente moída com carbono em forma de coque. Essa mistura é então colocada em um forno do tipo resistência elétrica aquecido com uma corrente elétrica para produzir carbeto de silício a partir do silício e do carbono; seu processo de sinterização é aprimorado por meio de biners não óxidos; depois disso, a extrusão ou a prensagem isostática a frio pode formar tubos a partir dele.

Foi demonstrado que as estruturas unidimensionais desordenadas (ODD) de SiC têm impactos significativos nas propriedades mecânicas, como resistência à tração e deformação elástica. Por meio de testes de tração in situ de NWs de SiC individuais com diferentes taxas de ocupação de ODD, os pesquisadores descobriram que sua resistência se aproxima do limite teórico ideal quando a taxa excede um valor crítico; esse fenômeno provavelmente decorre da formação de microgêmeos, permitindo a localização de cisalhamento com microplasticidade ocorrendo nos limites dos gêmeos e, portanto, localização de cisalhamento e microplasticidade nos limites dos gêmeos.