O que é composição de carbeto de silício?

O carbeto de silício (SiC) é um composto químico extremamente duro e resistente, composto de silício e carbono, que apresenta propriedades semicondutoras de intervalo de banda larga para uso em dispositivos eletrônicos de alta temperatura e tensão.

O SiC é encontrado naturalmente como um mineral conhecido como moissanita e foi produzido em massa pela primeira vez como abrasivo em 1893. Desde então, tornou-se uma cerâmica extremamente durável usada em diversas aplicações, desde freios e embreagens automotivas até coletes à prova de balas.

Características

O carbeto de silício é um composto inerte constituído de silício e carbono que tem a propriedade química de ser inerte e duro. Quando dopado com agentes dopantes de nitrogênio, fósforo ou gálio, forma semicondutores. Quando cristalizado, forma estruturas compactadas em que cada átomo forma quatro tetraedros de carbono/silício que formam ligações covalentes entre si, formando quatro estruturas cúbicas de tetraedros de silício/carbono ligados covalentemente por ligações covalentes.

O SiC é um material extremamente duro e durável com excelentes propriedades elétricas que o tornam adequado para componentes que operam em altas temperaturas e frequências sem comprometer a confiabilidade, como transistores e diodos Schottky.

Edward Acheson produziu carbeto de silício artificial pela primeira vez em 1891, por acidente, ao aquecer uma mistura de carbono e sílica em um forno elétrico, produzindo cristais pretos que imitam o diamante. Mais tarde, Henri Moissan observou essa substância naturalmente no local do meteorito Canyon Diablo, no Arizona, e a batizou de moissanita.

Industrialmente, o carbeto de silício pode ser criado por meio de processos de ligação por reação ou de sinterização; ambos os métodos têm influências significativas em sua microestrutura final. O SiC ligado por reação pode ser criado por meio da infiltração de compactos compostos de carbeto de silício e carbono com silício líquido; isso faz com que mais SiC se ligue às partículas originais por meio de reação química. A sinterização envolve a prensagem de SiC em pó em lingotes até que uma camada não reagida se forme entre duas camadas reagidas; em seguida, a prensagem novamente cria as camadas a-SiC e b-SiC com camadas não reagidas entre elas, resultantes da prensagem de lingotes de SiC em pó; Isso cria as camadas a-SiC e b-SiC com camadas que não reagiram entre elas, com uma camada que não reagiu entre elas, ao contrário do SiC ligado por reação, com camadas que não reagiram entre duas camadas ligadas por enchimento, produzindo lingotes de SiC formados a partir da prensagem de lingotes de SiC em pó, criados por meio da prensagem de SiC em pó em lingotes nos quais as camadas formadas de ambas as camadas (a-SiC e b-SiC com camadas que não reagiram entre elas). A sinterização envolve a prensagem de SiC em pó em lingotes nos quais se formam camadas (a-SiC e uma camada não reagida entre elas).

Os riscos à saúde e à segurança causados pela poeira e pelas fibras geradas durante o processamento são as principais preocupações com materiais duros, como o grafite. Elas podem irritar os olhos e a pele, causar problemas respiratórios, como fibrose pulmonar, ou contribuir para o desenvolvimento de câncer.

Propriedades

O carbeto de silício em sua forma pura apresenta excelente resistência química e ao calor, o que o torna adequado para a retificação de metais duros, como os encontrados em operações modernas de metalurgia. Devido à sua superfície altamente abrasiva, o carbeto de silício também é um abrasivo popular usado em trabalhos de lapidação modernos, pois é durável e relativamente acessível. O carbeto de silício também pode ser usado como elemento de aquecimento em fornos industriais, bem como em peças resistentes ao desgaste usadas em máquinas como trituradores e bombas, além de substratos semicondutores para diodos emissores de luz (LEDs).

O carbeto de silício pode ser formado em diferentes polimorfos por meio do controle da temperatura da reação e do processo de formação, com o carbeto de silício alfa (a-SiC), que apresenta uma estrutura cristalina hexagonal semelhante à Wurtzita. Enquanto isso, o carbeto de silício beta (b-SiC) apresenta uma estrutura cristalina de blenda de zinco semelhante à do diamante. Por fim, o carbeto de silício tetraédrico (TiC), com alta resistência à tensão, mas que só pode ser produzido em pequenas quantidades, é considerado o mais desafiador de todos.

O SiC puro é um cristal opaco amarelo-esverdeado a preto-azulado com densidade média de 3,21 g/cm3 que derrete a 2.700 graus Celsius, tem solubilidade insolúvel em água, mas se dissolve com álcalis como NaOH ou KOH em solução. Quando fundido ao silício, forma vidro de carboneto e, quando vaporizado em cristais únicos, pode ser formado em buquês para uso em dispositivos eletrônicos.

Aplicativos

O carbeto de silício é um material excepcionalmente forte, resistente à corrosão e duro, com dureza Mohs de 9. Sua resistência a arranhões torna muito difícil arranhá-lo ou quebrá-lo, o que o torna perfeito para aplicações de alta tensão, como freios automotivos. As características de semicondutor de banda larga do carbeto de silício também reduzem os requisitos de energia para deslocar os elétrons para sua banda de condução (três vezes menor que a do silício). Isso torna o carbeto de silício um excelente candidato para aplicações de alta tensão.

O carbeto de carbono pode ser produzido sinteticamente pela reação do carbono com areia de sílica em um forno elétrico de grafite a temperaturas entre 1.600 e 2.500 graus Celsius, criado artificialmente por Edward Acheson em 1891 para fins abrasivos industriais. Seu trabalho inspirou Henri Moisan, na França, a sintetizar o carbeto de silício misturando quartzo com carbono, dando origem à moissanita, que hoje é comumente usada em joias.

O carbeto de silício, como material refratário, tem inúmeras aplicações que vão desde a fabricação de ferramentas de corte e abrasivos, materiais estruturais (coletes à prova de balas e armaduras compostas), peças automotivas (discos de freio) até materiais resistentes ao desgaste para bombas e motores de foguetes. O carbeto de silício também é utilizado em diodos emissores de luz e transistores devido à sua baixa taxa de expansão térmica, resistência a reações químicas e capacidade de suportar altas temperaturas; sua rigidez, dureza e alta condutividade térmica o tornam uma opção atraente de material de espelho para telescópios astronômicos devido às condições espaciais e aos níveis de radiação que poderiam destruir outros materiais ópticos.

Fabricação

Os processos de fabricação de carbeto de silício envolvem várias etapas projetadas para produzir material de alta qualidade. Primeiro, as matérias-primas devem passar por rigorosos processos de purificação que removem as impurezas; isso permite que os fabricantes controlem melhor a composição do produto final.

Após a purificação, os pós de silício e carbono são combinados em proporções específicas para criar a composição de SiC desejada. Em seguida, eles são moldados em várias formas, como lascas ou grãos abrasivos, usando várias técnicas, como prensagem, extrusão e fundição por deslizamento, antes de serem aquecidos em altas temperaturas por meio de sinterização para consolidação adicional em produtos mais sólidos, densos e duráveis, com propriedades mecânicas aprimoradas.

Os produtos de carbeto de silício incluem coletes de cerâmica à prova de balas e freios e embreagens automotivos feitos de carbeto de silício; grandes cristais únicos de SiC podem até mesmo ser cultivados para produzir gemas raras como a moissanita.

O SiC é um composto químico inorgânico, mas pode ser feito para se comportar mais como um semicondutor com a adição de impurezas, como nitrogênio ou fósforo, que criam regiões do tipo n e do tipo p, respectivamente. Isso permite que o SiC conduza eletricidade de acordo com as mudanças de temperatura e intensidade, o que o torna perfeito para aplicações de eletrônica de potência.