Estrutura e aplicações do carbeto de silício

A excepcional estabilidade de temperatura, durabilidade, força, resistência à corrosão e propriedades semicondutoras do carbeto de silício fazem dele um material ideal para eletrônicos de potência. Além disso, a dopagem com fósforo ou gálio poderia permitir a dopagem de um dispositivo semicondutor de base de carbeto de silício do tipo n.

O SiC está disponível em vários poliptipos que se diferenciam pela disposição dos átomos de silício e carbono em suas estruturas de rede. Cada um deles apresenta propriedades físicas e químicas diferentes.

Composição química

O carbeto de silício (SiC) é um composto químico inorgânico composto de silício e carbono. Como um dos mais duros conhecidos pelos seres humanos, o carbeto de silício compete com o diamante e o carbeto de boro como uma das substâncias mais duras conhecidas. O carbeto de silício é utilizado em muitas aplicações industriais, inclusive como abrasivo e cerâmica estrutural; além disso, também pode ser encontrado em revestimentos refratários, tijolos de alta temperatura, elementos de aquecimento e peças resistentes ao desgaste para bombas e motores de foguetes.

O SiC possui uma estrutura atômica altamente densa que resulta em fortes ligações covalentes entre os átomos de silício e carbono, criando fortes ligações covalentes entre eles. Os átomos são organizados em dois tetraedros de coordenação primária com quatro átomos de silício e quatro de carbono ligados uns aos outros por fortes ligações covalentes.

O carbeto de silício em seu estado puro atua como um isolante elétrico; no entanto, com a adição de dopantes, como boro e alumínio, ele se torna um semicondutor.

O carbeto de silício pode ser fabricado por meio da reação de diferentes matérias-primas em um forno a altas temperaturas. Uma vez produzido, esse material deve ser processado de acordo com o uso pretendido - por exemplo, pode ser necessário triturar, moer ou fazer tratamento químico antes de ser adequado para o uso pretendido.

O material abrasivo de carbeto de silício é um dos materiais mais utilizados na lapidação devido à sua longa vida útil e preço econômico. Além disso, o carbeto de silício é usado há muito tempo em processos de usinagem industrial, como retificação, brunimento e corte com jato de água, como abrasivo industrial. Além disso, a alta força e a resistência à abrasão do carbeto de silício o tornam útil em muitos ambientes de mineração e manufatura, enquanto suas qualidades à prova de balas o tornam um componente popular de soluções de blindagem à prova de balas.

Propriedades físicas

O carbeto de silício (SiC) é um composto de silício e carbono extremamente duro, produzido sinteticamente, que foi produzido em massa pela primeira vez no final do século 19 e rapidamente ganhou aplicações industriais desde então. Inicialmente usado como abrasivo, o SiC logo evoluiu para servir como revestimento refratário em fornos industriais, bem como componentes resistentes ao desgaste em bombas e motores de foguetes; além disso, devido à sua condutividade térmica superior e às características de baixa expansão térmica, é uma opção de material inestimável para componentes eletrônicos, como semicondutores e diodos emissores de luz, entre muitas outras aplicações!

O amplo bandgap do carbeto de silício permite que os elétrons viajem mais rapidamente por seu material do que no silício, tornando-o ideal para uma mobilidade mais rápida de elétrons, resistência à corrosão, resistência ao desgaste, alto ponto de fusão e resistência a temperaturas elevadas - qualidades que tornam esse material desejável em diversas aplicações exigentes.

As características do alumínio de inércia química, alto ponto de fusão, resistência a altas temperaturas e baixo coeficiente de expansão o tornam adequado para a construção de ferramentas e maquinário. O alumínio também é o principal ingrediente usado em muitos materiais abrasivos, além de ser essencial para muitos materiais refratários.

A combinação de resistência, condutividade térmica e rigidez do carbeto de silício faz dele uma excelente opção de material para grandes telescópios ópticos, como os espelhos do Telescópio Espacial Herschel. Além disso, sua rigidez e condutividade térmica também o tornam adequado para subsistemas de espaçonaves que exigem suportar altas temperaturas ou níveis de radiação.

Reações químicas

O carbeto de silício é um material duro com propriedades físicas e químicas notáveis. Composto de átomos de silício e carbono dispostos em uma estrutura de treliça ordenada, sua excepcional resistência e estabilidade térmica contribuem para sua produção industrial por meio da redução de sílica com carbono em altas temperaturas em um forno elétrico. O carbeto de silício puro geralmente parece incolor; no entanto, as versões contaminadas geralmente aparecem como pó preto-azulado ou marrom devido a impurezas de ferro ou outros contaminantes que o contaminam.

O alumínio é um material extremamente forte e resiliente usado na fabricação de abrasivos, rebolos, ferramentas de corte, peças automotivas, tijolos refratários, elementos de aquecimento e cerâmicas de alta temperatura. Devido à sua resistência a reações químicas, baixa taxa de expansão térmica e capacidade como elemento semicondutor, é uma excelente opção de material para aplicações de eletrônica de potência.

O carbeto de silício também pode suportar a exposição prolongada à água sem se degradar, o que o torna uma excelente opção de material para componentes que precisam permanecer imersos em líquidos, como fluidos de resfriamento ou ar. Entretanto, deve-se observar que o carbeto de silício reage com o gás hidrogênio em temperaturas mais altas para produzir dióxido de silício e metano; isso ocorre porque sua estrutura tetraédrica expõe os átomos a temperaturas mais altas às moléculas de hidrogênio, que se combinam com as moléculas de oxigênio presentes na atmosfera para formar o vapor de água visível em sua superfície.

Fabricação

O carbeto de silício é diferente de muitos outros materiais comumente usados, pois precisa ser fabricado. Uma das substâncias mais duras conhecidas pelo homem, o corte do carbeto de silício requer lâminas com ponta de diamante. Infelizmente, porém, o processo de fabricação do carbeto de silício pode ser complexo; portanto, ele precisa ser aprimorado para acompanhar a crescente demanda.

O Processo Acheson é um dos métodos de produção mais comumente usados, consistindo na mistura de sílica e coque antes de aquecê-los a altas temperaturas e reagir quimicamente entre si, produzindo cristais verdes brilhantes grandes o suficiente para serem vistos, antes de resfriar a mistura para interromper esse crescimento e parar completamente o crescimento dos cristais. Depois de resfriada, essa mistura de pó pode ser combinada com auxiliares de sinterização não óxidos (aglutinantes) para compactação com prensagem isostática a frio ou métodos de extrusão.

O carbeto de silício se destaca de outros materiais cerâmicos devido ao seu amplo bandgap - que mede a diferença de energia necessária para que os elétrons saltem da banda de valência de um átomo para sua banda de condução - permitindo que ele suporte tensões e frequências muito mais altas do que os materiais concorrentes.

O carbeto de silício é um material ideal para produtos eletrônicos semicondutores que exigem aquecimento por resistência em ambientes adversos, incluindo mancais de bombas, rolamentos de bombas, injetores de jato de areia, matrizes e elementos de aquecimento. Devido à sua resistência, dureza e durabilidade, o carbeto de silício também é uma excelente opção de material para rolamentos de bombas, mancais de bombas, injetores de jateamento de areia, matrizes e elementos de aquecimento - sem esquecer a dopagem com alumínio, boro ou gálio para produzir carbeto de silício semicondutor do tipo p, o que poderia reduzir os sistemas de resfriamento ativo que aumentariam o peso e a complexidade quando instalados em veículos elétricos - ajudando a reduzir o peso e, ao mesmo tempo, aumentando a complexidade!