Aperçu des matériaux céramiques en carbure de silicium

Le carbure de silicium est l'un des matériaux céramiques avancés les plus durs et les plus durables, utilisé à la fois pour sa dureté en tant que matériau abrasif et pour sa résistance à la chaleur et son faible coefficient de dilatation thermique dans les réfractaires et les applications céramiques.

La moissanite peut également être présente à l'état naturel sous la forme d'un minéral transparent, la moissanite. Les premiers échantillons synthétisés artificiellement ont été créés en 1891 lors de la tentative d'Edward Acheson de créer des diamants artificiels ; plus tard, le chimiste Henri Moissan, lauréat du prix Nobel, a synthétisé artificiellement d'autres échantillons.

Résistance à haute température

Le carbure de silicium (SiC) est une céramique non oxydée extrêmement solide qui offre une résistance exceptionnelle à la corrosion et aux attaques chimiques à des températures élevées. Le carbure de silicium est utilisé comme matériau de revêtement réfractaire dans les fours industriels, les meules, les outils de coupe et les applications où la résistance est essentielle, telles que les meules, les outils de coupe et les applications d'usinage. En outre, les composants en SiC constituent des éléments clés dans les éléments chauffants à résistance, les thermistances pour les fours électriques ainsi que les tubes de revêtement et les faces d'étanchéité contenant du SiC.

Le SiC est connu pour sa résistance thermique et sa solidité supérieures à des températures élevées, ce qui en fait un matériau très prisé dans les applications industrielles. Le SiC résiste à l'oxydation à des températures allant jusqu'à 1 000 °C en créant une couche protectrice d'oxyde qui agit comme une barrière entre ses surfaces et les éléments qu'elles entourent. Toutefois, à des températures plus élevées, des fissures peuvent pénétrer cette barrière et dissiper l'énergie via des régions intercristallines ou granulaires, ce qui rend difficile l'augmentation de la résistance à des températures élevées.

Le carbure de silicium peut être fabriqué selon deux procédés distincts : par réaction et par frittage. Ces deux formes ont des influences significatives sur sa microstructure, et donc sur ses performances à des températures élevées. Le liage par réaction implique l'infiltration de compacts verts composés de mélanges de SiC et de carbone avec du silicium liquide ; cela crée des structures dont les dimensions changent très peu au cours du traitement et dont la surface est très étendue. La microstructure noyau-coquille réfractaire présente des caractéristiques uniques dont il a été démontré qu'elles augmentaient la résistance du SiC à des températures élevées.

Résistance aux températures élevées

La résistance remarquable du carbure de silicium en fait un excellent choix de matériau pour les applications à haute température, telles que les plaquettes de frein en céramique pour les automobiles grand public. Le matériau est capable de résister à des températures allant jusqu'à 1400 degrés Celsius tout en conservant sa résistance et sa dureté exceptionnelles, ce qui fait du carbure de silicium un matériau idéal.

Le carbure de silicium se distingue des autres matériaux céramiques par le fait qu'il ne se dégrade pas et ne fond pas à haute température, ce qui lui permet d'être utilisé dans des applications soumises à de fortes contraintes et supportant des charges telles que les roulements et les plaques pare-balles, sans subir de dommages structurels permanents. Le carbure de silicium est donc particulièrement adapté aux applications soumises à de fortes contraintes, telles que les roulements et les plaques pare-balles.

Le carbure de silicium existe à l'état naturel sous la forme d'un minéral extrêmement rare, la moissanite, tandis que la production de carbure synthétique répond aux exigences des industries modernes de la défense nationale, de l'énergie nucléaire, de la technologie spatiale et de l'aérospatiale, qui requièrent des dimensions précises.

Le carbure de silicium fritté possède l'une des conductivités thermiques les plus élevées parmi les céramiques techniques, juste derrière le nitrure d'aluminium. Cela peut être attribué à sa structure de réseau d'oxygène qui produit une grande diffusion des phonons. Bien que sa conductivité thermique puisse être encore augmentée en utilisant des additifs d'oxyde dans les processus de frittage, ceux-ci doivent être maintenus à un minimum absolu pour préserver la stabilité structurelle et la résistance à l'oxydation du matériau.

Faible coefficient de dilatation thermique

Le faible coefficient de dilatation thermique du carbure de silicium en fait le matériau idéal pour les composites à matrice céramique (CMC) dans des conditions difficiles. Il est donc très utilisé dans des applications telles que les turbines à gaz et les tuyères de fusée, où les matériaux doivent résister à des températures élevées et à des chocs thermiques.

La résistance à la corrosion fait de l'acier inoxydable un excellent choix de matériau pour les revêtements de fours de l'industrie chimique, où il peut résister à des températures extrêmes tout en conservant son intégrité structurelle. En outre, l'acier inoxydable offre une grande stabilité chimique, ce qui lui permet de fonctionner pendant de longues périodes dans des environnements liquides hostiles tels que les solutions acides et alcalines.

Le polymorphe le plus répandu du carbure de silicium, la forme alpha, peut être trouvé à des températures supérieures à 1700 degrés Celsius avec une structure cristalline wurtzite et des points de fusion supérieurs à 1700 degrés Celsius. Cependant, la forme bêta, plus rare, peut également exister avec sa structure cristalline de zinc blende similaire au diamant et un point de fusion plus bas à 1030 degrés Celsius - cette forme plus rare peut servir de support à des catalyseurs hétérogènes.

Le carbure de silicium se présente sous la forme de céramiques poreuses et denses. Les techniques de production varient considérablement, la microstructure finale dépendant de la méthode de production utilisée. Le SiC lié par réaction est produit par infiltration de compacts de mélange carbone-SiC avec du silicium fondu qui réagit entre eux pour former plus de SiC, liant le compact initial ; le SiC fritté, tel que l'Hexoloy, est formé par des processus de formage de céramique conventionnels avant d'être fritté à des températures élevées sous une atmosphère inerte.

Dureté élevée

La dureté du carbure de silicium sur l'échelle de Mohs atteint 9,5, ce qui le place en troisième position derrière le diamant et le nitrure de bore. Il convient donc aux outils de coupe et aux matériaux abrasifs, ainsi qu'à la fabrication de pièces résistantes à l'usure à haute température, comme les roulements et les joints dans les applications de l'industrie mécanique.

La combinaison unique de propriétés chimiques stables, d'une excellente conductivité thermique, d'un faible coefficient de dilatation thermique, de la dureté et de la résistance mécanique du carbure de silicium lui a valu d'être largement utilisé dans plusieurs industries, notamment le pétrole, l'ingénierie chimique, la microélectronique, l'automobile, l'aviation, la papeterie et l'exploitation minière au laser. En outre, le carbure de silicium est également utilisé dans les applications de protection de l'environnement, d'électronique de l'information et d'utilisation de l'énergie.

Le carbure de silicium (SiC) peut être produit à l'aide de deux procédés, la liaison par réaction et le frittage, qui influencent tous deux sa microstructure finale. Le carbure de silicium lié par réaction est généralement créé par infiltration de compacts composés de mélanges de silicium et de carbone avec du silicium liquide qui réagit ensuite avec d'autres molécules de silicium et de carbone pour former davantage de liaisons SiC, tandis que le carbure de silicium fritté est fabriqué à l'aide de techniques de formage de céramique conventionnelles et d'adjuvants de frittage non oxydés pour la production.

L'excellente usinabilité du carbure de silicium en fait un excellent matériau pour la fabrication de composants d'étanchéité résistants à l'usure, en particulier lorsqu'il est associé au graphite. Cette combinaison offre des coefficients de frottement inférieurs à ceux de la céramique d'alumine et des alliages durs et conserve sa forme en cas de valeurs de PV élevées, afin d'éviter les fuites de produits chimiques tels que les alcalis et les acides dans l'environnement.