Formule du carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) est un composé synthétique extrêmement dur de silicium et de carbone qui existe à l'état naturel sous forme de moissanite et, dans une moindre mesure, dans les météorites à chondrite carbonée.

Produit par la fusion de sable siliceux et de coke à haute température dans un four électrique, le quartz existe sous au moins 70 formes cristallines différentes, la forme alpha avec une structure cristalline hexagonale similaire à la wurtzite étant la plus répandue.

Propriétés physiques

Le carbure de silicium, plus communément appelé Carborundum, est un composé céramique non oxydé présentant des propriétés exceptionnelles de dureté et de résistance chimique, qui le placent au deuxième rang après le diamant. En outre, le carbure de silicium à l'état pur résiste à l'oxydation à des températures plus élevées, ce qui permet d'obtenir une conductivité électrique et une conductivité plus fiables.

Le sable siliceux est chauffé avec du carbone dans un four électrique pour produire du SiC. Le matériau cristallin vert à noir bleuté qui en résulte peut ensuite être séparé en catégories aux propriétés physiques différentes : par exemple, la catégorie métallurgique A présente des couches grossières, tandis que les cristaux plus lisses de la catégorie b forment des structures plus douces.

Ces polytypes de structures en couches présentent des propriétés électriques, optiques et thermiques particulières. Leurs liaisons atomiques consistent en quatre atomes de silicium liés à quatre atomes de carbone selon un schéma carré irrégulier formant quatre cristaux hexagonaux, ce qui leur confère des propriétés de semi-conducteur à large bande interdite. L'extrusion ou le pressage isostatique à froid permet de façonner ces matériaux en tiges ou en tubes destinés à être utilisés comme tiges et tubes.

Propriétés chimiques

Le carbure de silicium (SiC), plus communément appelé carborundum, est un composé chimique solide de silicium et de carbone qui possède des propriétés de semi-conducteur à large bande interdite. Réfractaire par nature, le carbure de silicium est également connu pour sa conductivité thermique élevée et ses faibles propriétés de dilatation thermique qui lui confèrent une grande résistance aux chocs thermiques.

Le SiC cristallin se présente sous la forme d'une structure étroitement empilée avec quatre atomes de silicium et quatre atomes de carbone liés par une coordination tétraédrique, et il existe plus de 70 polytypes ; le SiC alpha se trouve le plus souvent à des températures supérieures à 2000 degrés Celsius avec une structure cristalline hexagonale similaire à la Wurtzite. En revanche, la modification bêta, avec une structure cristalline de zincblende similaire au diamant et la formation de sphalérite, se produit à des températures plus basses.

Le carborundum est une substance extrêmement rare dans la nature, mais un élément essentiel des météorites riches en carbone présentes dans l'espace. Synthétisé artificiellement pour la première fois en 1891 par Edward Acheson dans le cadre de ses travaux de production de diamants artificiels, ce matériau a été découvert à l'état naturel dans la météorite Canyon Diablo de l'Arizona en 1893 et baptisé moissanite en l'honneur du prix Nobel Henri Moissan.

Propriétés mécaniques

Le carbure de silicium présente une surface extrêmement dure, avec un indice de 9 sur l'échelle de Mohs, ce qui en fait la céramique non oxydée la plus dure et l'un des matériaux les plus durs au monde. Il constitue un excellent choix de matériau pour les applications impliquant une usure mécanique, telles que les abrasifs et les réfractaires, tout en présentant de bonnes propriétés thermiques qui résistent aux environnements à haute température ainsi qu'aux chocs thermiques.

Le silicium remplace la moitié des atomes de carbone, ce qui améliore les propriétés de conduction thermique en raison du rayon atomique similaire entre le silicium et le carbone, contribuant ainsi à réduire la diffusion des phonons.

Le carbure de silicium se présente sous la forme de cristaux iridescents jaunes, verts ou noirs bleutés qui se subliment en se décomposant à 2700 degrés Celsius. Bien qu'insoluble dans l'eau, le carbure de silicium est soluble dans les alcalis fondus tels que NaOH et KOH, ainsi que dans le fer fondu. Son module d'Young et sa dureté sont déterminés par la texture, les défauts d'empilement, la taille des grains et la nature de leurs limites.

Propriétés électriques

La large bande interdite du carbure de silicium lui permet de supporter des températures et des tensions plus élevées que le silicium, ce qui le rend adapté aux applications nécessitant des dispositifs électroniques rapides mais fiables. En outre, sa capacité à supporter une telle tension est inestimable dans les systèmes de batterie des véhicules électriques qui réduisent à la fois la taille et le poids en éliminant complètement les onduleurs.

Le SiC est un matériau populaire en raison de sa combinaison de propriétés céramiques et semi-conductrices, qui contribue au progrès de la technologie électronique. En outre, sa dureté, sa résistance, sa faible dilatation thermique et sa résistance aux réactions chimiques ont contribué à sa popularité croissante.

Le carbure de silicium est obtenu en chauffant du sable siliceux pur avec du carbone dans un four électrique, ce qui permet de créer des lingots de qualité métallurgique et abrasive, appelés a-SiC et b-SiC en fonction de leur qualité et de l'usage auquel ils sont destinés. Une fois les lingots formés, ils sont découpés en différentes tailles et formes en fonction des applications souhaitées avant d'être mélangés à des éléments supplémentaires tels que l'aluminium ou l'azote pour obtenir les caractéristiques souhaitées.