Structure et applications du carbure de silicium

Le carbure de silicium, ou SiC, est un matériau extrêmement solide et durable qui présente des propriétés électriques uniques.

Le carbone cristallin se présente sous la forme de structures très denses liées entre elles par des liaisons covalentes. Ses atomes forment deux tétraèdres de coordination primaires avec quatre atomes de carbone et quatre atomes de silicium dans chaque coin qui se lient entre eux pour former des structures polytypiques appelées polytypes.

Propriétés physiques

Le carbure de silicium est un matériau extrêmement dur dont la dureté de Mohs se situe entre 9 et 10, à mi-chemin entre l'alumine et le diamant. Le carbure de silicium est largement utilisé comme matériau abrasif dans la lapidairerie moderne, dans les opérations de meulage et d'usinage, comme revêtement réfractaire pour les fours industriels, les outils de coupe, les pièces résistantes à l'usure des pompes et des moteurs de fusée, ainsi que comme bande de préhension résistante à l'usure sur les planches à roulettes, de même que dans la gravure au carborundum - le processus consistant à appliquer des grains de carborundum sur une plaque d'aluminium et à imprimer ensuite sur du papier à l'aide de presses à lit roulant (Mountain).

Les polycarbonates synthétiques peuvent être produits synthétiquement en utilisant des processus de liaison par réaction ou de frittage, ce dernier étant amélioré par l'ajout de carbone 0,5% ou de bore 0,5% comme aide au frittage, afin d'empêcher la diffusion de surface et de modifier l'énergie des joints de grains (Mountain).

Le carbure de silicium est une céramique industrielle impressionnante dont les diverses propriétés mécaniques lui confèrent une valeur inestimable dans divers contextes industriels. Avec une conductivité thermique élevée et de faibles taux de dilatation thermique, son utilisation dans l'électronique de puissance pour les systèmes d'entraînement des véhicules électriques terrestres est devenue plus courante que jamais. En outre, les caractéristiques électriques du SiC pourraient également remplacer les semi-conducteurs au silicium traditionnels dans les applications à plus haute tension telles que les onduleurs de traction pour les véhicules électriques et les convertisseurs DC/DC pour les stations de recharge.

Propriétés chimiques

Le carbure de silicium peut être dopé avec de l'azote et du phosphore pour former des semi-conducteurs de type n, tandis que le béryllium, le bore, l'aluminium et le gallium peuvent être dopés pour créer des semi-conducteurs de type p. En raison de sa structure étroite et symétrique, le carbure de silicium constitue une plate-forme idéale pour le dopage.

Le matériau réfractaire est dur, cassant et thermoconducteur. Il peut supporter des températures et des tensions élevées, tandis que son faible coefficient de dilatation thermique offre des avantages lorsqu'il est utilisé pour des applications soumises à des variations de température.

Bien que la moissanite naturelle (Csi3SiO6) puisse être trouvée dans les météorites et la kimberlite, la plupart du carbure de silicium vendu aujourd'hui est synthétique. Il est chimiquement inerte car il résiste à la corrosion par les acides organiques et les alcalis, à l'exception des acides fluorhydrique et sulfurique ; il est insoluble dans l'eau ou d'autres solvants, mais soluble dans les alcalis fondus tels que le NaOH ou le KOH.

Propriétés électriques

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur, situé entre les métaux (qui conduisent l'électricité) et les isolants (qui ne la conduisent pas). Les propriétés électriques du SiC dépendent de la température et des impuretés présentes dans sa composition : à basse température, il se comporte comme un isolant, tandis qu'à plus haute température, sa conductivité devient perceptible. La conductivité du SiC peut encore être améliorée par l'ajout d'impuretés d'aluminium, de bore ou de gallium, qui augmentent les porteurs de charge libres et transforment le SiC en semi-conducteur de type P.

La combinaison des propriétés physiques et chimiques de l'argile en fait un matériau intéressant dans diverses industries, qu'il s'agisse des plaques de céramique qui augmentent la résistance à l'abrasion et la force de freinage, ou de sa conductivité thermique élevée et de son faible coefficient de dilatation qui lui permettent d'être utilisée dans des applications à haute température.

En outre, sa bande interdite unique lui permet de fonctionner à des tensions et à des fréquences plus élevées que l'électronique traditionnelle à base de silicium, ce qui en fait le matériau idéal pour les dispositifs de puissance tels que les diodes, les transistors et les thyristors.

Propriétés thermiques

Le carbure de silicium (SiC) est une céramique inorganique dotée de propriétés thermiques supérieures, ce qui lui permet d'être utilisé dans de nombreuses applications. Le carbure de silicium est utilisé dans des applications telles que les pièces résistantes à l'usure et les abrasifs en raison de sa dureté, dans les réfractaires et les céramiques en raison de sa résistance à la chaleur et de sa faible dilatation thermique, ainsi que dans l'électronique en raison de sa capacité à conduire l'électricité à des températures extrêmes.

Le SiC est un conducteur thermique efficace en raison de sa structure cristalline cubique diamantée dont la moitié des atomes est remplacée par du silicium, ce qui lui confère une conductivité thermique supérieure. Le SiC présente une bande interdite efficace qui permet aux électrons de se déplacer facilement entre ses bandes de valence et de conduction, contrairement aux isolants qui nécessitent des quantités excessives d'énergie pour que les électrons traversent cet espace entre leurs bandes.

La structure cristalline du SiC peut prendre différentes formes, appelées polytypes. Chaque polytype est constitué de couches empilées selon des séquences d'empilement spécifiques qui donnent lieu à des arrangements atomiques uniques, ce qui confère au SiC une chaleur spécifique extrêmement élevée et un faible coefficient de dilatation thermique.