La température de fusion élevée du carbure de silicium

Le carbure de silicium est une céramique non oxydée extrêmement dure et résistante, dotée d'excellentes propriétés à haute température, largement utilisée dans de nombreux secteurs industriels pour des applications exigeantes.

L'examen fractographique des échantillons testés sous argon à des températures comprises entre 1 500 et 2 100 °C a montré que seule la couche la plus externe était oxydée ; seule sa couche d'oxyde contenait des grains de bore déformés et allongés, entourés de whiskers de WO₃.

Thermodynamique

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau céramique inerte qui présente de nombreuses propriétés industrielles intéressantes. Parmi celles-ci figurent une résistance mécanique élevée, une résistance à l'usure, une résistance aux chocs thermiques et une bonne conductivité thermique, ainsi qu'une résistance aux acides et aux alcalis et une capacité à supporter des températures allant jusqu'à 1 600 °C.

Le SiC peut se comporter soit comme un isolant électrique, soit comme un semi-conducteur, selon son niveau de dopage et sa composition. Le dopage à l'azote ou au phosphore induit une conductivité de type n, tandis que le dopage au bore, au gallium ou à l'aluminium peut générer une conductivité de type p.

Le carbure de silicium est aujourd'hui largement utilisé dans des secteurs allant de la production d'acier, du traitement thermique des métaux, de la fabrication de verre flotté et de la fabrication de céramiques et de composants électroniques jusqu'aux blindages composites (tels que le blindage Chobham) et à la fabrication de gilets pare-balles.

Le SiC fond en fonction à la fois de la pression et de la température, sa température de fusion étant déterminée par ces deux variables. À basse pression, son diagramme de phases montre une fusion incongruente qui se présente sous la forme d’un mélange à l’équilibre entre le cristal cubique 3C et le cristal hexagonal 6H (voir [17]). À des pressions plus élevées, cependant, des études ont observé une fusion congruente formant un liquide présentant une courbe de fusion sans ambiguïté, comme le montre la figure 5. Sa cinétique lente est probablement due aux grandes différences entre les rayons atomiques du carbone et ceux du silicium (voir [18]).

Pression

Le carbure de silicium a fait la une des journaux en raison de ses propriétés semi-conductrices, notamment sa résistance à la tension supérieure à celle du silicium classique. De plus, le carbure de silicium peut également être utilisé comme abrasif et dans des applications réfractaires, telles que les disques de frein haute performance pour automobiles.

Le SiC se présente le plus souvent sous forme de carbure de silicium alpha (a-SiC), dont la structure cristalline hexagonale est similaire à celle de la wurtzite. Cependant, la forme bêta peut également se former à des températures plus basses, mais ses applications commerciales sont limitées. Le SiC est réputé pour être un matériau robuste et résistant, doté de propriétés similaires à celles du diamant, et qui résiste à la chaleur et à la corrosion.

Le carbure de silicium est produit sous forme de poudre ou de cristaux et est utilisé dans diverses applications réfractaires, abrasives et métallurgiques. Associé au graphite, il sert souvent à fabriquer du carbure de silicium renforcé de fibres de carbone, utilisé dans les disques de frein haute performance pour automobiles.

Le procédé Lely est la méthode de référence pour la fabrication du carbure de silicium. Ce procédé consiste à chauffer un mélange de sable siliceux et de charbon (généralement du coke) à très haute température dans un creuset en granit muni d'un conducteur en carbone servant d'électrode, tandis qu'un courant électrique traverse le coke, provoquant des réactions chimiques qui permettent la sublimation à des températures plus basses et le dépôt sur des tiges de graphite à des températures plus froides, ce qui donne des cristaux verts purs de SiC appelés « moissanite ».

Diffusion

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau cristallin amorphe présentant un point de fusion extrêmement élevé (2 700 °C). En raison des liaisons covalentes très fortes entre les atomes de Si et de C, le carbure de silicium présente une dureté et une fragilité extrêmes, sans pour autant atteindre la dureté du diamant (9,5 sur l'échelle de Mohs). On le trouve à l'état naturel sous forme de moissanite, découverte en 1893 dans le cratère météoritique de Canyon Diablo, en Arizona ; il peut également être fabriqué artificiellement par réduction de silice et de carbone dans un four électrique à haute température.

Le carbure de silicium est largement utilisé en raison de ses propriétés physiques et chimiques exceptionnelles. Il présente des caractéristiques électriques supérieures, notamment une résistance à la tension 10 fois supérieure à celle du silicium standard, et offre de meilleures performances que le nitrure de gallium dans les systèmes fonctionnant à plus de 1 000 V ; il fait en outre preuve d'une résistance aux chocs thermiques ainsi qu'à l'usure.

Dans le cadre des efforts visant à améliorer les propriétés isolantes du carbure de silicium, celui-ci est souvent recouvert d’une couche de carbone (appelée « C-cap ») afin de limiter la dégradation lors des processus de recuit à haute température. Malheureusement, ce revêtement peut également avoir des effets néfastes sur l’autodiffusion en favorisant la formation de paires de Frenkel et en créant des antisites immobiles (voir la figure 4 pour une illustration de ce phénomène). La figure 4 présente une comparaison entre des échantillons non recouverts et des échantillons recouverts d’une couche de carbone, recuits à 1 700 °C pendant une heure ; les profils diffèrent entre les échantillons en raison de la présence de microperforations sur les échantillons recouverts de carbone recuits à 1 700 °C pendant une heure dans les deux échantillons, ce qui est mis en évidence par les différences entre leurs graphiques d’Arrhenius des courbes d’autodiffusion (indiquant la présence de microperforations sur l’échantillon recouvert de carbone).

Température

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau céramique non oxydé qui présente une stabilité thermique et une résistance remarquables à des températures élevées. Composé d’atomes de carbone et de silicium étroitement agencés et liés par des structures cristallines, le SiC possède un point de fusion très élevé, une propriété qui le rend particulièrement adapté aux applications industrielles où règnent des températures extrêmes.

Le SiC pur n'est pas un excellent conducteur électrique ; cependant, son dopage avec certains dopants augmente considérablement sa conductivité. De plus, la résistance aux chocs thermiques et à la fluage du SiC est supérieure à celle d'autres matériaux céramiques résistants aux hautes températures, tels que l'alumine ou le carbure de bore.

Dans l'industrie sidérurgique, le carbure de silicium 90% est un composant essentiel des fours à oxygène de base (BOF). Il sert de combustible pour augmenter le rapport ferraille/métal en fusion et élever la température de coulée ; de plus, il contribue à désoxydation de l'acier tout en éliminant les impuretés du bain de fusion, tout en constituant un moyen efficace de contrôler la teneur en carbone de l'acier en fusion.

Le SiC n'est pas seulement utilisé dans l'industrie sidérurgique ; il a également de nombreuses autres applications. Par exemple, il sert de catalyseur efficace dans la production de chlorure de polyvinyle ainsi que d'autres composés organiques. De plus, le SiC peut être utilisé pour produire de l'alumine et des carbures de bore ; il est également un composant essentiel des blindages composites tels que le blindage Chobham.