Ponto de fusão do carboneto de silício

O carboneto de silício (comumente chamado de SiC) é uma substância cristalina sintética, incolor em seu estado puro, utilizada na fabricação de abrasivos, refratários, cerâmicas, vidro e ligas duras, como o aço.

O SiC é produzido pela fusão conjunta de areia de sílica e carbono em fornos de resistência elétrica a altas temperaturas. O boro pode ajudar a aumentar a densificação.

Temperatura

O carboneto de silício (SiC) é um material semicondutor duro e refratário, com estruturas politípicas baseadas em sequências de empilhamento de átomos de carbono e silício, sendo a mais comum a estrutura do tipo blenda de zinco (3C SiC). Outras estruturas de SiC podem ter forma cúbica, hexagonal ou romboédrica, com nomes como alfa-SiC ou beta-SiC para fins de identificação. Os cristais iridescentes do SiC, que variam do amarelo ao verde e ao preto azulado, se sublimam a 2.700 °C, com densidades próximas a 3,21 g/cm³ no momento da sublimação.

Edward Goodrich Acheson divulgou sua descoberta e a subsequente produção comercial do material conhecido como Carborundum em 1893, nome dado à sua forma cristalina. Hoje, essa substância dura é comumente utilizada como abrasivo em rebolos e ferramentas de corte de metal, além de ser empregada no revestimento de fornos em instalações de produção de metais não ferrosos e como material refratário utilizado durante tratamentos térmicos em metais, processos de produção de vidro e instalações de produção de semicondutores eletrônicos.

O ponto de fusão do carboneto de silício depende da pressão. Conforme demonstrado na Figura 2, sua curva experimental representa inúmeros experimentos de resfriamento rápido realizados sob diferentes condições de temperatura e pressão. Conforme indicado pela inclinação negativa da curva, as temperaturas de fusão diminuem com o aumento da pressão, conforme previsto pelos cálculos ab initio baseados na teoria do funcional da densidade. Essa tendência corrobora as previsões ab initio feitas com base em modelos da teoria do funcional da densidade. A American Elements oferece uma impressionante variedade de composições de carboneto de silício de alta pureza, que vão desde composições padrão e personalizadas, hastes, barras, placas e pó — bem como outras formas usinadas disponíveis mediante solicitação — em termos de níveis de pureza e outras propriedades, como compostos organometálicos ou soluções. Essa ampla seleção pode ser adquirida como material padrão em estoque na American Elements ou personalizada de acordo com as especificações do cliente para uso em aplicações de pesquisa.

Pressão

O carboneto de silício (SiC) é um composto extremamente duro, de ligação covalente entre silício e carbono, que ocorre naturalmente na forma do mineral moissanita e vem sendo produzido em massa desde 1893 para uso como abrasivo. Os grãos de carboneto de silício também podem ser combinados por meio de sinterização para formar cerâmicas duras com inúmeras aplicações; a dopagem com nitrogênio ou fósforo forma um semicondutor do tipo n, enquanto a dopagem com boro, alumínio, gálio ou berílio pode produzir semicondutores do tipo p.

O carboneto de silício funde-se a diferentes pressões, dependendo de sua estrutura cristalina e temperatura; a modificação alfa (a-SiC) apresenta grãos hexagonais compactos, semelhantes à wurtzita, enquanto a modificação beta (b-SiC) apresenta estrutura cristalina do tipo blenda de zinco, semelhante à do diamante. O SiC é composto por múltiplos polimorfos, cujas células unitárias variam de cúbicas a romboédricas; a mais prevalente entre elas é a modificação alfa, que possui grãos hexagonais compactos semelhantes à wurtzita, enquanto a modificação beta (b-SiC), ambas apresentam estruturas cristalinas hexagonais compactas semelhantes à wurtzita.

As formas a-SiC do carboneto de silício são amplamente utilizadas em aplicações de papel de polimento e meios de moagem, enquanto sua contraparte, o b-SiC, tem usos comerciais limitados. Seus pontos de fusão foram medidos em temperaturas de até 3.300 K e, nessas condições, ambos os tipos fundiram-se de forma congruente, apresentando uma inclinação negativa de -44 ± 4 K/GPa em sua curva de fusão, indicando densidades mais elevadas do a-SiC fundido em comparação com o b-SiC.

Densidade

O carboneto de silício é um material extremamente duro, com excelente resistência à corrosão e à abrasão, com alto ponto de fusão para suportar grandes pressões e sem impurezas químicas — por isso, pode ser fundido para formar diferentes metais à temperatura ambiente ou por meio de alta pressão. É utilizado principalmente como material abrasivo e refratário em aplicações como revestimentos de fornos. O carboneto de silício também resiste à maioria dos compostos orgânicos, ácidos inorgânicos e sais (exceto o ácido fluorídrico), mas não ao ácido fluorídrico!

A propriedade refratária do carboneto de silício levou ao seu amplo uso em produtos abrasivos, como freios e embreagens de automóveis, bem como em placas cerâmicas para coletes à prova de balas. Além disso, ele é utilizado em máquinas de fabricação, incluindo furadeiras, rebolos, fresas e sistemas de corte a laser. Além disso, ele possui uma banda proibida ampla, adequada para componentes eletrônicos como sistemas de radar, antenas de micro-ondas, células solares e dispositivos de alta tensão.

A densidade do carboneto de silício varia entre 2,8 e 3,2 g/cm³. Ele derrete em baixas temperaturas, produzindo uma rede cristalina tetraédrica de sílica e carbono com fortes ligações covalentes entre os átomos de carbono e silício. É possível prever facilmente seu ponto de fusão por meio de simulações de dinâmica molecular baseadas na teoria do funcional da densidade (DFT); as temperaturas de fusão atingem um pico em torno de 1.200 °C, enquanto seu valor mínimo chega a 3.000 °C; a curva de fusão obtida apresenta uma inclinação negativa de -44 ± 4 K/GPa, o que se coaduna bem com os dados experimentais relativos à fusão.

Composição química

O carboneto de silício (SiC) é um material cristalino insolúvel, normalmente de cor amarela a verde com matizes azul-escuros, que se sublima a 2.700 °C, transformando-se em pó. Embora seja insolúvel em água, ele se dissolve em álcalis (NaOH e KOH) ou em ferro. Apesar de ser insolúvel, ele se sublima a 3,21 g/cm³, com temperatura de sublimação em torno de 2.700 °C.

O carboneto de silício combina átomos de Si e C em dois tetraedros de coordenação primários, com quatro átomos de Si ligados a um átomo central de carbono, que são então interligados em seus vértices, empilhando-se para formar estruturas polares que conferem dureza a esse material. Existem várias sequências de empilhamento, ou politipos, de átomos de Si e C encontrados nos cristais de carboneto de silício, que conferem a este material sua variedade de formas e propriedades.

O carboneto de silício puro é, normalmente, um isolante elétrico; no entanto, sua condutividade pode ser aumentada por meio do dopagem com nitrogênio ou fósforo e da adição de boro ou alumínio. Os carborundos, utilizados em rádios de cristal, costumam incorporar carboneto de silício dopado.

Desde 1912, o carboneto de silício tem sido utilizado como abrasivo. Além disso, suas aplicações se estendem à fabricação de revestimentos refratários, tijolos e cerâmicas para altas temperaturas, peças automotivas, discos abrasivos, ferramentas de corte, componentes elétricos resistentes e componentes de coletes à prova de balas. Com o ponto de fusão mais alto e a classificação mais dura na escala de Mohs entre os materiais cerâmicos avançados, além de sua estrutura densa que impede ataques químicos, o carboneto de silício continua sendo popular como abrasivo.