Carbeto de silício

O carbeto de silício (SiC) é um material excepcional com propriedades físicas extraordinárias. Ele é resistente a altas temperaturas, à corrosão e ao desgaste, além de possuir baixas taxas de expansão térmica.

A moissanita ocorre naturalmente em quantidades muito limitadas como um mineral e, desde então, tem sido produzida em massa por meio do processo de forno elétrico em lote de Edward G. Acheson, que continua até hoje.

Características

O carbeto de silício oferece excepcional resistência química e mecânica em um amplo espectro de temperaturas, resistindo à corrosão e à abrasão com seu alto módulo de elasticidade e baixo coeficiente de expansão térmica. Além disso, o carbeto de silício apresenta boa resistência a choques térmicos, embora menos do que a zircônia cerâmica estrutural.

Em geral, o SiC é um isolante elétrico; no entanto, com a adição controlada de impurezas, ele pode se tornar eletricamente condutor. Quando dopado com alumínio, boro ou gálio, ele se torna um semicondutor do tipo P, enquanto a dopagem com nitrogênio ou fósforo dá origem a propriedades semicondutoras do tipo N.

O SiC industrial puro é de cor marrom a preta devido às impurezas de ferro. Como um material semicondutor politípico, suas estruturas cristalinas variam em relação à forma como os átomos de carbono e silício se empilham em tetraedros; isso permite que ele se comporte como isolante ou condutor em temperaturas constantes; além disso, ele permanece insolúvel em água e álcool, mas é resistente à maioria dos ácidos orgânicos, álcalis e sais.

Aplicativos

As cerâmicas de carbeto de silício têm aplicações em vários campos: desde ferramentas abrasivas e de corte, materiais estruturais (coletes à prova de balas e armaduras compostas), peças automotivas, como discos de freio e para-raios, até alta resistência à corrosão e à abrasão em ambientes como plantas de produção petroquímica ou sistemas de dessulfurização de gases de combustão.

Os dispositivos de energia SiC aproveitam suas propriedades de semicondutor de banda larga para conduzir em tensões mais altas, o que torna os sistemas de conversão de energia mais compactos, com perda de energia reduzida e tempos de conversão mais curtos. Além disso, os dispositivos de SiC superaram os de silício no que se refere ao desempenho de corrente e temperatura de comutação em comparação com os de silício, resultando em ganhos significativos de eficiência para os produtos finais.

O carbeto de silício (SiC) está revolucionando rapidamente a eletrônica de potência devido à sua combinação exclusiva de propriedades físicas e eletrônicas. Os MOSFETs e os diodos Schottky feitos de SiC são tecnologias de semicondutores de potência amplamente utilizadas e formam os principais componentes dos inversores de tração dos veículos elétricos e dos carregadores de bordo, bem como dos conversores CC/CC encontrados nas estações de carregamento - isso se traduz em maior autonomia da bateria nos veículos elétricos e maior eficiência nas aplicações industriais.

Fabricação

O carbeto de silício pode ser transformado em uma série de materiais para diversos usos. Os engenheiros mecânicos confiam nele como uma cerâmica avançada por sua força, dureza, resistência à corrosão e ao desgaste, bem como os engenheiros elétricos que usam suas propriedades elétricas excepcionais como semicondutores. Além disso, o carbeto de silício é parte integrante da blindagem composta, como a blindagem Chobham ou as placas de cerâmica encontradas em coletes à prova de balas.

Edward Goodrich Acheson sintetizou artificialmente o SiC pela primeira vez em 1891, enquanto tentava produzir diamantes sintéticos. Ao criar cristais duros e azul-escuros que ele chamou de carborundum por ter sido erroneamente diagnosticado como um composto semelhante ao corindo, seu método se tornou a base da maior parte da produção de SiC atualmente.

A pureza dos cristais produzidos em um forno Acheson varia de acordo com a distância de uma fonte de calor de resistor de grafite; os mais próximos tendem a ser claros, enquanto os mais distantes tendem a ficar mais escuros com dopagem de nitrogênio ou alumínio, o que reduz a condutividade. Grandes cristais individuais produzidos comercialmente por meio de processos Lely modificados ou transporte físico de vapor.

Segurança

O pó de carbeto de silício pode ser um incômodo irritante que pode contribuir para a fibrose pulmonar não progressiva e causar irritação no nariz e nos olhos. A exposição prolongada pode até levar à pneumoconiose, uma doença pulmonar crônica com sintomas que incluem anormalidades nas radiografias de tórax e perda da função pulmonar; além disso, aumenta o risco de tuberculose.

Devido à sua dureza e rigidez superiores, a blindagem de fibra de carbono oferece proteção balística com um peso de produto muito menor do que as soluções tradicionais de aço.

As aplicações nucleares utilizam o revestimento de SiC devido ao seu excelente desempenho de irradiação, superando o Zry-4 nos níveis de tensão de Tresca primária e além, mantendo ainda uma margem de desligamento aceitável. Além disso, ele apresenta uma seção transversal de absorção de nêutrons mais baixa; os revestimentos de SS-310 e FeCrAl apresentam valores de MTC marginalmente mais negativos em BOL do que o SiC; no entanto, isso diminui significativamente após 5 s de LBLOCA devido à ampliação de Doppler dos nêutrons férteis.