Fórmula do carboneto de silício

O carboneto de silício, mais comumente conhecido como carborundo, é uma cerâmica não oxidante, dura e resistente, com propriedades físicas únicas, frequentemente utilizada em abrasivos e aplicações metalúrgicas.

O SiC é inicialmente produzido pelo processo de Acheson; atualmente, é produzido em massa em um forno de tijolos de resistência elétrica, por meio da mistura de areia de sílica pura com coque finamente moído, resultando em cristais que variam do amarelo-esverdeado ao azul-escuro, com uma iridescência que se destaca.

Propriedades físicas

O carboneto de silício (SiC) é um composto cristalino extremamente duro de silício e carbono, conhecido como moissanita, detectado pela primeira vez em seu estado natural (no meteorito Canyon Diablo, no Arizona) pelo químico Henri Moissan, ganhador do Prêmio Nobel, em 1893, como parte de sua pesquisa sobre materiais naturais.

O carboneto de silício possui uma estrutura cristalina em camadas e apresenta vários politipos com arranjos específicos de empilhamento de átomos de silício e carbono, conhecidos como arranjo 3C-SiC; embora existam mais de 100 outras estruturas com propriedades químicas e físicas semelhantes.

O carboneto de silício pode ser transformado em materiais cerâmicos por sinterização (união das partículas por meio de altas temperaturas) por meio de vários métodos. Um processo popular para isso é o SiC ligado por reação, também conhecido como Hexoloy(r), que utiliza pó de SiC ligado por reação misturado com matéria-prima de carbono poroso por meio de conformação aditiva, fundição ou extrusão para produzir um material cerâmico totalmente densificado com propriedades químicas e mecânicas excepcionais, capaz de operar em temperaturas extremas de uso final.

Propriedades químicas

O carboneto de silício possui muitas propriedades benéficas que o tornam um composto industrial valioso. É quimicamente inerte e resistente à corrosão. Além disso, o carboneto de silício é um excelente abrasivo, amplamente utilizado na lapidação moderna devido à sua durabilidade e à dureza de 10,5 na escala de Mohs.

Esse material cristalino pode ser dopado para produzir semicondutores tanto do tipo n quanto do tipo p; o doping com nitrogênio produz os primeiros, enquanto o doping com gálio, alumínio ou boro produz os segundos. Ele possui alta tolerância à temperatura e não reage com álcalis nem com a maioria das substâncias orgânicas, com exceção do ácido fluorídrico.

A extraordinária resistência do carboneto de silício fez com que ele fosse utilizado em diversas aplicações, desde discos de freio de cerâmica para carros esportivos e coletes à prova de balas até vedações de eixos de bombas, devido à sua alta condutividade térmica e capacidade de dissipar o calor de atrito antes que ele seja transferido para as superfícies de contato dos rolamentos de aço. Além disso, sua complexa composição química significa que existem múltiplas formas ou politipos contendo diferentes estruturas cristalinas e arranjos de ligações dentro de sua composição química.

Propriedades elétricas

O carboneto de silício tem ganhado renovado reconhecimento nos últimos anos devido às suas propriedades mecânicas excepcionais, como alta dureza e inércia química, mas também apresenta características elétricas úteis. Devido à sua estrutura cristalina, o carboneto de silício permite que impurezas, conhecidas como dopantes, sejam introduzidas por meio do processo de dopagem para criar mais portadores de carga livres, como elétrons e lacunas, dentro do material, aumentando assim a condutividade.

A estrutura atômica única do carboneto de silício confere-lhe uma condutividade térmica relativamente alta, devido ao arranjo compacto de seus átomos de grande raio e à consequente condução fonônica; isso dá ao carboneto de silício uma vantagem sobre outras cerâmicas estruturais, como o nitreto de alumínio e a berília, que apresentam condutividades térmicas mais baixas devido aos raios atômicos mais amplos.

O carboneto de silício ocorre naturalmente como o mineral cristalino moissanita em pequenas quantidades; no entanto, a maior parte do carboneto de silício utilizado comercialmente é produzido sinteticamente para uso como abrasivo ou material refratário avançado, por meio da queima de uma mistura de areia de sílica e carbono em um forno de tijolos de resistência elétrica.

Propriedades mecânicas

O carboneto de silício (SiC) é um material cerâmico extremamente duro, com dureza de 9 na escala de Mohs. Ele geralmente se apresenta na forma de cristais iridescentes que variam do amarelo ao verde e ao preto-azulado, que se sublimam a 2.700 °C antes de se decomporem na água ou em contato com álcalis e ferro a temperaturas mais elevadas, apresentando excelente resistência à corrosão e resistência mecânica em temperaturas de até 1.600 °C, sendo que a textura, tamanho do grão, falhas de empilhamento e impurezas desempenhando papéis secundários nas propriedades mecânicas.

Produzida industrialmente por meio do processo de Acheson, que envolve a mistura de sílica com carbono em um forno elétrico a altas temperaturas utilizando o método de Acheson, ou encontrada naturalmente na forma de moissanita, descoberta pela primeira vez na cratera do meteoro Canyon Diablo, no Arizona, em 1893. A moissanita é há muito reconhecida como um material essencial em cerâmicas funcionais avançadas, abrasivos e matérias-primas metalúrgicas devido à sua excelente condutividade térmica e expansão térmica mínima, bem como à sua excepcional estabilidade química; é resistente à maioria dos ácidos orgânicos e inorgânicos, bem como aos sais, exceto na presença de ácido fluorídrico ou fluoretos ácidos.