Como o carbeto de silício é produzido?

O carbeto de silício (SiC) é um composto químico duro formado por silício e carbono, encontrado naturalmente como pedra preciosa moissanita e produzido em grande escala para uso em abrasivos, aplicações metalúrgicas e refratários.

O SiC é ideal para tijolos refratários e outros produtos refratários devido à sua resistência a altas temperaturas e choques térmicos, à sua natureza semicondutora e à estrutura atômica que o torna à prova de calor.

Reações químicas

O carbeto de silício, mais comumente chamado de carborundum ou SiC, é um material cerâmico com propriedades estruturais e semicondutoras. Com força, resistência a altas temperaturas e inércia química mesmo em temperaturas elevadas, o SiC é um excelente material para aplicações em abrasivos, metalurgia e refratários; além disso, suas características semelhantes às dos semicondutores o tornam adequado para dispositivos de alta potência que operam em temperaturas que os semicondutores convencionais não suportam.

O SiC pode ser produzido usando várias técnicas de produção, cada uma oferecendo vantagens distintas para aplicações específicas. Por exemplo, o processo Acheson oferece formas complexas de alta resistência; o processo de carbeto de silício ligado por reação (RBSC) oferece alta pureza; enquanto a deposição de vapor químico oferece o potencial de criar revestimentos ultrapuros.

A produção comercial de carbeto de silício normalmente usa um processo de forno elétrico com coque de petróleo de baixo teor de cinzas como fonte de carbono, antes de ser triturado e moído, antes de ser classificado e tratado quimicamente para atender a características específicas de desempenho.

O silício e o carbono reagem quimicamente em matérias-primas para formar politípos ou arranjos de empilhamento de elementos, sendo o carbeto de silício cúbico (a-SiC) um dos politípos mais populares, com sua dureza Mohs de 9. Embora minerais dessa natureza possam ser extraídos como fontes minerais brutas, na maioria das vezes são produzidos por meio de processos combinados: ligação por reação e sinterização.

A ligação por reação é um processo em que uma mistura de areia de sílica moída e carbono na forma de coque de petróleo com baixo teor de cinzas são combinados e acumulados em torno de um forno resistivo elétrico por meio da ligação por reação. Uma corrente elétrica é então passada por um condutor, desencadeando uma reação química e produzindo um lingote cilíndrico de a-SiC e b-SiC; qualquer a-SiC que não tenha reagido permanece na superfície do lingote. O silício líquido é então adicionado, unindo os cristais inicialmente separados em uma estrutura contínua de cristais cúbicos de SiC que é adequada para a maioria dos usos industriais; às vezes, pode ocorrer um processamento adicional para produzir material de grau metalúrgico.

Aquecimento

O carbeto de silício (SiC) é um composto químico inorgânico composto de carbono e silício que ocorre naturalmente como o raro mineral moissanita; entretanto, desde 1893, ele também é fabricado sinteticamente na forma de pó para ser usado como abrasivo. O carbeto de silício possui a classificação de material sintético mais duro entre a alumina (óxido de alumínio) e o diamante na escala de dureza de Mohs, e sua condutividade térmica, baixas taxas de expansão térmica e inércia química o tornam altamente adequado para aplicações industriais refratárias, como tijolos de fornos.

A produção de SiC de grau metalúrgico geralmente é realizada por meio do processo Acheson, que envolve a mistura de matérias-primas, como areia de quartzo (areia de sílica), com coque de petróleo ou carvão antracito em um forno elétrico a arco aquecido a cerca de 2.600 graus Celsius. Como parte desse processo de aquecimento, o dióxido de silício (SiO2) é reduzido e transformado em SiC e outros compostos chamados silicatos metalúrgicos que, posteriormente, são moídos novamente em carbeto de silício preto ou verde, dependendo de sua qualidade.

A produção de carbeto de silício por meio dessa técnica tem alto rendimento, produzindo até 11,3 toneladas por carga de forno de carbeto de silício preto. Entretanto, é possível obter SiC de maior pureza usando métodos mais caros, como o processo de Lely.

O carbeto de silício ocorre em diferentes polimorfos ou formas, cada um com características e propriedades distintas. Por exemplo, o carbeto de silício alfa (a-SiC) tem uma estrutura cristalina hexagonal semelhante à wurtzita, enquanto o b-SiC modificado em beta contém estruturas cristalinas de blenda de zinco semelhantes às do diamante.

Independentemente de seu polimorfo, todas as formas de carbeto de silício compartilham uma estrutura em camadas semelhante, contendo átomos de silício e carbono ligados em uma configuração tetraédrica. O SiC se distingue do carbeto de boro por ter três átomos de carbono para cada átomo de silício em sua estrutura - ao contrário da estrutura semelhante a um diamante, que confere ao carbeto de boro propriedades mecânicas superiores e maior viabilidade comercial; consequentemente, o a-SiC ostentava propriedades mecânicas superiores, tornando-se dominante até o surgimento do b-SiC, mais solúvel.

Secagem

O carbeto de silício é um material cristalino extremamente duro, com várias aplicações industriais. Em especial, é comumente empregado como abrasivo em rebolos, ferramentas de corte e lixas devido à sua altíssima resistência e dureza; no entanto, outros usos incluem isoladores elétricos, refratários e cerâmicas - suas propriedades de baixa expansão térmica o tornam o material perfeito para ser usado em ambientes de alta temperatura - embora seja frequentemente revestido com óxido de alumínio para aumentar ainda mais sua longevidade.

A produção de carbeto de silício começa com o aquecimento da sílica bruta e do carbono em um forno elétrico até que seus compostos se combinem para produzir dióxido de silício e gás monóxido de carbono, seguido de secagem em uma atmosfera inerte por vários dias a temperaturas que variam entre 1.400 e 2.700 graus Celsius - isso permite que as impurezas sejam removidas de forma eficaz, deixando para trás um lingote de carbeto de silício quase puro.

Em seguida, trabalhadores qualificados separam e classificam esse lingote em vários tamanhos, formas e composições químicas que atendem a diferentes aplicações. Uma vez separado e classificado por trabalhadores qualificados, ele pode ser processado posteriormente para uso em setores como abrasivos, metalurgia e refratários, além de se tornar dopante para produtos de produção de semicondutores quando dopantes são adicionados a ele.

Os dopantes adicionados a um lingote podem produzir vários tipos de polímeros com propriedades físicas e elétricas distintas. O boro e o alumínio transformam o silício em um semicondutor do tipo p, enquanto o nitrogênio e o fósforo criam um semicondutor do tipo n.

A produção de carbeto de silício puro requer um processo intrincado e meticuloso que exige atenção precisa em cada etapa. Os refratários produzidos com carbeto de silício para uso nos setores abrasivo, metalúrgico e de refratários geralmente têm especificações exclusivas, como tamanhos de grãos, tipos de aglutinantes, nível de pureza, nível de densidade e requisitos de porosidade. Nossa equipe da Washington Mills terá prazer em trabalhar com os clientes para entender seus requisitos individuais e explorar todas as possibilidades com os produtos CARBOREX.

Sinterização

O carbeto de silício pode ser difícil de trabalhar e retificar, exigindo ferramentas de diamante ou ultrassônicas para operações de corte ou retificação. Além disso, sua superfície delicada exige um manuseio cuidadoso para evitar descamação ou lascamento, já que sua durabilidade permite que ele resista bem a temperaturas muito altas em fornos ou estufas.

Processo Acheson. O carbeto de silício pode ser criado usando esse processo, misturando areia de sílica com coque de carbono em pó para formar um sólido verde ou preto que pode ser moído para formar um pó fino e misturado com outros ingredientes para formar o plastificante, permitindo que o dióxido de silício e os átomos de carbono se unam e, em seguida, formados usando moldes antes de se infiltrarem com silício líquido para produzir um material ligado por reação ou material sinterizado.

O carbeto de silício sinterizado apresenta maior pureza do que o ligado por reação, é mais fácil de usinar e moldar e tem excelente resistência à corrosão, ao desgaste e ao choque térmico, sendo capaz de suportar temperaturas de 1600degC sem sucumbir à oxidação ou ao ataque químico. Como resultado, ele é usado em uma ampla gama de aplicações industriais devido a esses atributos.

A tecnologia de sinterização é amplamente utilizada em aplicações eletrônicas avançadas. Para isso, grandes blocos de cristal único são produzidos por meio do processo de sinterização e, em seguida, cortados em wafers para uso em dispositivos semicondutores. Às vezes, os materiais puros podem ser misturados com boro ou alumínio para aumentar a dureza e a temperabilidade.

A sinterização pode criar cerâmicas de alta resistência que são resistentes a rachaduras. Além de ser resistente a altas temperaturas, esse tipo de cerâmica também é altamente refratário a produtos químicos, como os ácidos sulfúrico e fluorídrico; daí o nome a-SiC sinterizado. A dureza, a rigidez, a condutividade térmica e a dureza do carbeto de silício também o tornam desejável como material de espelho de telescópio astronômico; ao contrário de muitos outros materiais de espelho, ele permanece estável durante as mudanças de temperatura sem se deformar sob seu próprio peso, o que permite que ele substitua o vidro em vários modelos de telescópio, desde os pequenos modelos portáteis até os enormes observatórios espaciais.