Estrutura e aplicações do carboneto de silício

O carboneto de silício, ou SiC, é um material extremamente forte e durável com algumas propriedades eléctricas únicas.

O carbono cristalino pode ser encontrado cristalizando em estruturas densamente compactadas que são ligadas covalentemente entre si. Os seus átomos formam dois tetraedros de coordenação primária com quatro átomos de carbono e quatro átomos de silício em cada canto, que se ligam através dos seus cantos para formar estruturas politípicas denominadas politípicas.

Propriedades físicas

O carboneto de silício é um material extremamente duro com uma classificação de dureza Mohs entre 9 e 10, situando-se algures entre a alumina e o diamante. O carboneto de silício é amplamente utilizado como material abrasivo na lapidação moderna, em operações de trituração e maquinagem, como revestimento refratário de fornos industriais, ferramentas de corte, peças resistentes ao desgaste de bombas e motores de foguetões, bem como fita adesiva resistente ao desgaste em skates e na impressão com carborundum - o processo de aplicação de grão de carborundum numa placa de alumínio e posterior impressão em papel utilizando prensas de leito rolante (Mountain).

Os policarbonatos sintéticos podem ser produzidos sinteticamente utilizando processos de ligação por reação ou de sinterização, sendo estes últimos melhorados através da adição de carbono 0,5% ou de boro 0,5% como auxiliar de sinterização, para evitar a difusão superficial e modificar a energia dos limites dos grãos (Mountain).

O SiC é uma cerâmica industrial impressionante com diversas propriedades mecânicas que o tornam inestimável em vários contextos industriais. Com elevada condutividade térmica e baixas taxas de expansão térmica, a sua utilização em eletrónica de potência para sistemas de acionamento de veículos eléctricos terrestres tornou-se mais prevalecente do que nunca. Além disso, as características eléctricas do SiC podem também substituir os tradicionais semicondutores de silício em aplicações de alta tensão, como inversores de tração para veículos eléctricos e conversores DC/DC para estações de carregamento.

Propriedades químicas

O carboneto de silício pode ser dopado com azoto e fósforo para formar semicondutores do tipo n, enquanto o berílio, o boro, o alumínio e o gálio podem ser dopados para formar semicondutores do tipo p. Devido à sua estrutura simétrica e de empilhamento fechado, o carboneto de silício constitui uma plataforma ideal para a dopagem.

O material refratário é duro, frágil e termicamente condutor. Pode suportar temperaturas e tensões elevadas, enquanto o seu baixo coeficiente de expansão térmica oferece vantagens quando utilizado em aplicações sujeitas a variações de temperatura.

Embora a moissanite natural (Csi3SiO6) possa ser encontrada em meteoritos e kimberlitos, a maior parte do carboneto de silício vendido atualmente é sintético. Apresenta-se sob diversas formas, desde grãos cristalinos verdes a pretos, a pastilhas de SiC de seis polegadas utilizadas em aplicações de eletrónica de potência, e é quimicamente inerte, uma vez que resiste à corrosão por ácidos orgânicos e álcalis, com exceção dos ácidos fluorídrico e sulfúrico; insolúvel em água ou outros solventes, mas solúvel em álcalis fundidos, como NaOH ou KOH.

Propriedades eléctricas

O carboneto de silício (SiC) é um material semicondutor, situado entre os metais (que conduzem eletricidade) e os isolantes (que não conduzem). As propriedades eléctricas do SiC dependem da temperatura e das impurezas na sua composição: a baixas temperaturas, actua como um isolante, enquanto a temperaturas mais elevadas a sua condutividade se torna notória. A condutividade do SiC pode ainda ser melhorada através da adição de impurezas de alumínio, boro ou gálio, que aumentam os portadores de carga livres e convertem o SiC num semicondutor do tipo P.

A combinação de propriedades físicas e químicas da argila torna-a um material atrativo em várias indústrias, desde as placas cerâmicas que aumentam a resistência à abrasão e a força de travagem, até à sua elevada condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão que permitem a sua utilização em aplicações de alta temperatura.

Além disso, o seu intervalo de banda único permite-lhe funcionar a tensões e frequências mais elevadas do que a eletrónica tradicional baseada em silício, tornando-o o material perfeito para dispositivos de potência como díodos, transístores e tirístores.

Propriedades térmicas

O carboneto de silício (SiC) é uma cerâmica inorgânica com propriedades térmicas superiores, o que o torna adequado para muitas aplicações diferentes. O carboneto de silício é utilizado em aplicações que vão desde peças resistentes ao desgaste e abrasivos, devido à sua dureza; em refractários e cerâmicas, devido à sua resistência ao calor e baixa expansão térmica; bem como em eletrónica, devido à sua capacidade de conduzir eletricidade a temperaturas extremas.

O SiC é um condutor térmico eficaz devido à sua estrutura cristalina cúbica de diamante com metade dos átomos substituídos por silício, proporcionando uma condutividade térmica superior. O SiC apresenta um intervalo de banda eficiente que permite que os electrões se movam facilmente entre as suas bandas de valência e de condução, em comparação com os isoladores que requerem quantidades excessivas de energia para que os electrões atravessem este intervalo entre as suas bandas.

A estrutura cristalina do SiC pode assumir várias formas, conhecidas como politopos. Cada politopo consiste em camadas empilhadas em sequências de empilhamento específicas que resultam em arranjos atómicos únicos - o que confere ao SiC um calor específico extremamente elevado e um baixo coeficiente de expansão térmica.