Aplicações do carboneto de silício

O carboneto de silício é um material extremamente útil, com aplicações em inúmeras indústrias. Embora seja encontrado naturalmente em depósitos minerais de moissanita, atualmente a maior parte da produção de carboneto de silício (SC) é feita por via sintética.

Com sua alta tensão de ruptura e baixa resistência de condução, as pastilhas de silício são excelentes componentes para dispositivos semicondutores. Além disso, sua resistência à corrosão garante que possam suportar altas temperaturas, bem como problemas relacionados à corrosão.

Ferramentas abrasivas

O carboneto de silício (comumente chamado de “carborundo”) é um material cerâmico durável com excepcional resistência a altas temperaturas e excelentes propriedades de expansão térmica. Por isso, é amplamente utilizado em aplicações de jateamento abrasivo, nas quais são necessários meios abrasivos duráveis e de longa duração para remover ferrugem, preparar produtos para pintura ou remover acabamentos antigos das superfícies. Geralmente é moldado em grãos angulares antes de ser aquecido a 1.200–1.400 degF para ser incorporado em produtos abrasivos soltos ou compactos.

Os abrasivos de carboneto de silício são produzidos por meio de um processo conhecido como redução carbotérmica. Para isso, uma mistura de areia de sílica pura, coque e sal é aquecida em um forno de resistência elétrica até que sua matéria carbonosa atue como um eletrodo e se ligue quimicamente às moléculas de sílica, formando o grão de carborundo. Após o término do aquecimento, esse grão em bruto é moído ainda mais antes que a classificação por tamanho de partícula garanta que os produtos finais atendam às necessidades específicas da indústria e dos clientes.

O carboneto de silício se destaca entre os demais materiais abrasivos por ser extremamente duro, ocupando o 9º lugar na escala de Mohs (superado apenas pelo diamante e pelo carboneto de boro). Devido a essa dureza excepcional, o carboneto de silício é um material ideal para cortar ou esmerilar materiais duros e frágeis com o mínimo de força necessária.

Além de serem utilizadas em aplicações de jateamento, as lixas de carboneto de silício são a escolha ideal para lixar e esmerilar metais, pedra, vidro, cortiça, madeira e plásticos. Embora sejam menos resistentes do que as de óxido de alumínio, seus grãos abrasivos afiados como lâminas permitem que, mesmo com uma leve pressão, esses materiais sejam cortados com facilidade. O carboneto de silício também pode ser encontrado em rebolos, lixas, rebolos vitrificados e resinoides, bem como em bicos de jato de areia.

Ferramentas de corte

O carboneto de silício é amplamente utilizado como material abrasivo em rebolos, ferramentas de corte, lixas e processos de produção de cerâmica. A indústria cerâmica também faz grande uso desse material extremamente duro – já que sua dureza permite que ele seja usinado ou esculpido com diversas ferramentas para obter formas ou acabamentos específicos. Devido à sua boa relação custo-benefício e resistência ao desgaste, tornou-se uma opção atraente para a fabricação de materiais abrasivos de longa duração, como rebolos.

O carboneto de silício é comumente utilizado na fabricação de ferramentas de perfuração e usinagem, incluindo brocas maciças e brocas com pastilhas intercambiáveis, para o corte de metais como aços e ligas de alumínio, bem como de materiais resistentes a altas temperaturas, como titânio ou ligas de níquel. Graças à sua dureza, esses materiais raramente danificam essas ferramentas, mesmo durante operações de usinagem em alta velocidade.

O carboneto de silício possui um alto ponto de fusão e alta condutividade térmica, o que o torna altamente resistente à abrasão, à corrosão e a outros processos químicos associados aos processos de usinagem. Assim, sua resistência permite que ele corte uma variedade de materiais, desde metais e compósitos até cerâmicas.

A alumina reforçada com zircônia e a alumina reforçada com crônia são exemplos de materiais cerâmicos que se mostraram superiores ao carboneto de tungstênio no uso em ferramentas de corte para materiais duros e frágeis, devido à sua maior dureza, resistência à compressão, inércia química em temperaturas elevadas, bem como sua maior condutividade térmica, que permite uma dissipação mais rápida do calor, reduzindo assim as chances de danos térmicos às peças de trabalho e proporcionando maior vida útil às ferramentas [3]. [4,5]

Materiais resistentes ao calor

O carboneto de silício é um material versátil utilizado em aplicações que vão desde abrasivos e refratários até cerâmicas e aplicações de alto desempenho. Compósitos de matriz cerâmica compostos por peças metálicas e poliméricas reforçadas com carboneto de silício podem aumentar o desempenho e, ao mesmo tempo, oferecer resistência ao calor; as ligas de alumínio reforçadas com cerâmica oferecem o dobro da resistência e 20% mais resistência ao calor em comparação com as ligas de alumínio puras, mantendo-se, ao mesmo tempo, dois terços mais leves.

O SiC é um material extremamente duro e resistente a agentes químicos. Possui excelente condutividade térmica, boa resistência à abrasão e propriedades de condutividade térmica; apenas o diamante e o carboneto de boro se equiparam a ele em termos de dureza. Por combinar essas características, o SiC é a escolha ideal de material na fabricação de produtos abrasivos cerâmicos, como rebolos e ferramentas de corte; além disso, é frequentemente utilizado em refratários e cerâmicas devido à combinação de resistência térmica (alta resistência ao calor) com durabilidade mecânica (resistência à abrasão).

As propriedades únicas do carboneto de silício o tornam um material atraente para a fabricação de dispositivos de potência de alta velocidade, incluindo um campo crítico de ruptura por avalanche elevado e uma banda proibida ampla, que permitem fornecer mais potência com menos dispositivos conectados em série, reduzindo assim os custos e a complexidade do sistema; ao mesmo tempo, sua baixa resistência em estado ativo limita as perdas de conversão e aumenta a confiabilidade do dispositivo.

O SiC se destaca pela combinação de átomos de silício e carbono em sua estrutura, o que lhe confere propriedades elétricas e térmicas únicas. É inerte em relação a ácidos e álcalis, bem como a altas temperaturas, e seus métodos de fabricação incluem a ligação por reação, além de processos cerâmicos convencionais, como prensagem a quente e sinterização sem pressão. Formas e tamanhos podem ser moldados de acordo com o uso pretendido; seu processo de sinterização é relativamente simples, produzindo corpos sinterizados com propriedades mecânicas de alta densidade, cuja microestrutura final pode ser controlada por meio da escolha do auxiliar de sinterização, da adição de aglutinante e das condições de prensagem e sinterização.

Materiais resistentes ao desgaste

O carboneto de silício é um material extremamente duro, com excelente resistência à abrasão e resistência mecânica, o que o torna adequado para diversas aplicações em uma ampla faixa de temperaturas. Além disso, sua elevada resistência à compressão confere durabilidade contra as tensões mecânicas que possam ocorrer ao longo do tempo, tornando-o o material ideal para usos industriais em que possam estar presentes cargas pesadas ou altas velocidades.

O carboneto de silício (SiC) é um dos materiais cerâmicos mais leves e mais duros. Sua estrutura cristalina em camadas é composta por átomos de silício e carbono ligados entre si por meio de uma configuração de ligação tetraédrica, formando vários politipos com propriedades diferentes; a forma alfa (a-SiC), com sua estrutura cristalina hexagonal semelhante à da wurtzita, é comumente encontrada em aplicações industriais; já a forma beta (estrutura cristalina do tipo blenda de zinco) é mais rara.

O carboneto de silício oferece resistência ao desgaste superior quando comparado aos tipos de aço; no entanto, a resistência ao desgaste por impacto do carboneto de silício ligado com nitreto é muito menor — o que limita seu uso generalizado como peças de trabalho do solo.

O material composto de carboneto de silício ligado por reação (RBSC) foi projetado para aplicações que exigem excepcional resistência ao desgaste, excelentes propriedades refratárias, estabilidade química e ótimas relações resistência/peso. O RBSC pode ser moldado em formas complexas com excelentes relações resistência/peso, mantendo-se resistente à oxidação e à temperatura — ideal para esmerilhar e cortar materiais refratários. É comumente empregado em esmerilhadeiras utilizadas para essa tarefa.

Materiais para altas temperaturas

A seleção de materiais para aplicações em condições adversas exige a escolha de materiais com alta resistência térmica e química; por esse motivo, o carboneto de silício tornou-se uma das opções preferidas em operações de mineração, refino de petróleo e instalações de bombeamento.

Devido à sua excelente estabilidade térmica, o material cerâmico oferece resistência e integridade excepcionais, mesmo quando exposto a altas temperaturas. Além disso, sua resistência à corrosão e aos ataques químicos o torna uma excelente opção para uso em ambientes que exigem altos níveis de pureza, como a fabricação de semicondutores.

As propriedades do carboneto de silício como cerâmica técnica são determinadas por sua estrutura cristalina; os politipos podem apresentar propriedades diferentes devido às diferenças na largura da banda proibida. A largura da banda proibida determina como a luz pode ser absorvida ou emitida pelos materiais; materiais com larguras de banda proibida amplas tendem a apresentar taxas de transmissão mais elevadas, enquanto aqueles com larguras de banda proibida mais estreitas geralmente apresentam taxas de transmissão reduzidas.

A condutividade térmica do carboneto de silício, que chega a 4,9 watts por metro quadrado-Kelvin, é uma de suas principais características para diversas aplicações, pois permite que o material resista com facilidade a ambientes de alta temperatura. Essa característica é especialmente importante quando utilizado como material refratário ou em peças resistentes ao desgaste, onde a alta estabilidade térmica é fundamental.

A maior resistência à tensão do carboneto de silício, em comparação com o silício, torna-o uma opção atraente para componentes elétricos de alta tensão, como semicondutores e sensores de pressão, nos quais podem ocorrer rachaduras em tensões mais elevadas; sua resistência em sistemas de 1.000 V é 10 vezes maior do que a do silício e do nitreto de gálio, respectivamente.