O que é carbeto de silício?

O carbeto de silício (SiC) é um material cerâmico extremamente duro e resistente ao desgaste, usado em freios e embreagens automotivas para peças de longa duração.

As propriedades mecânicas incluem baixa expansão térmica e alta dureza.

Essas qualidades tornam o material adequado para a eletrônica de potência, em que seu maior bandgap permite tensões operacionais mais altas do que os inversores de silício tradicionais.

Dureza

O carbeto de silício (SiC) é um dos materiais sintéticos mais duros produzidos, perdendo apenas para o carbeto de boro e o diamante. Com uma classificação excepcional de resistência ao desgaste e propriedades termicamente estáveis, o SiC é a escolha ideal de material para aplicações que exigem alta resistência ou resistência à temperatura.

O pó de SiC forma estruturas cristalinas com cores que variam de amarelo-esverdeado a preto-azulado, dependendo de sua pureza. O SiC é insolúvel em água, mas um pouco mais em alcalinos ou ferro.

A cerâmica de SiC pode ser significativamente aumentada pela adição de fases macias, como GNPs e Ti, ou pela sinterização com materiais como o carboneto de nióbio para aumentar a densidade [17], o que leva a uma maior condutividade térmica do produto acabado e a uma maior dureza (o tamanho do grão aumenta e a ligação de reação aumenta com a temperatura). Entretanto, as temperaturas máximas nunca devem ser excedidas, pois, caso contrário, as partículas de SiC podem perder sua estrutura cristalina e se tornar frágeis com o tempo.

Condutividade térmica

A condutividade térmica superior do carbeto de silício faz dele o material ideal para aplicações que exigem desempenho rápido e confiável em temperaturas e tensões extremamente altas. Sua resistência à tensão é dez vezes maior que a do silício, superando o nitreto de gálio em sistemas que operam acima de 1000 V.

A propriedade de amplo bandgap do carbeto de silício permite que ele tenha um bom desempenho em dispositivos sensíveis a variações de temperatura e tensão, como os usados para alimentar veículos elétricos. Além disso, o amplo bandgap do carbeto de silício também o protege contra a corrosão e a oxidação.

O carbeto de silício pode ser fabricado em vários formatos e tamanhos, dependendo da aplicação pretendida. Mais comumente, é fabricado como um pó fino que é misturado com auxiliares de sinterização sem óxido para formar uma pasta que pode ser compactada por extrusão, moldagem por injeção ou moldagem por extrusão para fins de compactação ou modelagem. Outros métodos podem envolver a deposição de vapor químico ou processos de síntese baseados em carbono que produzem SiC cúbico que serve como material abrasivo durante os processos de retificação, afiação e corte por jato de água.

Expansão térmica

O carbeto de silício é um material resistente com excelente resistência a choques térmicos, o que o torna adequado para vários processos de usinagem abrasiva, como retificação, brunimento e corte com jato de água. Além disso, seu coeficiente de expansão térmica relativamente baixo garante que ele permaneça dimensionalmente estável ao longo do tempo, tornando o carbeto de silício um abrasivo indispensável na lapidação moderna.

O carbeto de silício possui uma estrutura de empacotamento fechado composta por dois tetraedros de coordenação primária compostos por quatro átomos de silício e quatro átomos de carbono cada, que são covalentemente ligados uns aos outros para formar estruturas de polipropileno de empacotamento fechado.

A estrutura cristalina do carbeto de silício pode ser alterada para alterar suas propriedades elásticas, proporcionando o controle de suas propriedades elásticas. Cálculos de primeiros princípios usando a teoria funcional da densidade foram realizados para investigar como vários defeitos, como defeitos de vacância, intersticiais e antisite, afetam as constantes elásticas do SiC e do ZrC; por exemplo, o defeito VC dominante reduz drasticamente o C44, enquanto outros defeitos tiveram influência mínima, como VSi e Sit.

Condutividade elétrica

O carbeto de silício consiste em cristais hexagonais unidos por fortes ligações covalentes, produzindo um material durável usado em aplicações tão diversas como lixas, rebolos e ferramentas de corte desde sua descoberta no final do século XIX. Mais recentemente, ele também foi empregado em revestimentos refratários de fornos industriais, peças resistentes ao desgaste para bombas e motores de foguetes e como substrato semicondutor para diodos emissores de luz (LED).

O carbeto de silício em seu estado puro é um isolante elétrico; no entanto, com a adição controlada de impurezas conhecidas como dopantes, ele pode se transformar em um semicondutor elétrico. Os dopantes de nitrogênio e fósforo criam propriedades semicondutoras do tipo N; os dopantes de alumínio, boro ou gálio o transformam em propriedades do tipo P.

O amplo bandgap do carbeto de silício permite que ele conduza eletricidade de forma mais eficiente do que os semicondutores tradicionais, resultando em dispositivos com tempo de execução menor e mais rápido, maior resistência à temperatura e tolerância à tensão, além de maior capacidade de manuseio de energia, o que se traduz em custos reduzidos em muitas aplicações.