Propriedades do carboneto de silício

O carboneto de silício (SiC) é um material extremamente durável com uma classificação de dureza de 9 na escala de Mohs e um atrativo estético que rivaliza com o do diamante.

Os Laboratórios EAG têm uma vasta experiência na análise do SiC relativamente a estas propriedades, utilizando técnicas analíticas em massa e espacialmente resolvidas. Pode funcionar como isolante elétrico e semicondutor.

Dureza

O carboneto de silício é uma das substâncias mais duras do mundo, ocupando o nono lugar na escala de Mohs e perdendo apenas para o diamante em termos de dureza. O carboneto de boro e o diamante são ainda mais duros do que o carboneto de silício - outras utilizações incluem ferramentas de corte, coletes à prova de bala, peças para automóveis e espelhos para telescópios astronómicos. A superfície dura e forte do carboneto de silício é óptima para ser utilizada como abrasivo de corte e ferramentas de corte, materiais estruturais (coletes à prova de bala), peças de automóvel e espelhos utilizados por telescópios!

A cerâmica resistente ao choque térmico é uma cerâmica extremamente dura, não óxida. Devido à sua força, elevada condutividade térmica, baixa taxa de expansão térmica e excelente resistência à oxidação, torna-se um material refratário indispensável.

O carboneto de silício (número atómico 14) e o carbono (número atómico 6) formam um composto inorgânico conhecido como carboneto de silício, com dois tetraedros de coordenação primária formados por quatro átomos de carbono e quatro átomos de silício ligados covalentemente entre si, criando uma estrutura excecionalmente forte e rígida, com uma resistência e rigidez superiores; os seus polímeros podem mesmo empilhar-se para formar polímeros. O carboneto de silício apresenta propriedades semicondutoras de banda larga, exigindo três vezes menos energia para libertar os electrões dos estados orbitais do que o silício.

Resistência à corrosão

A propriedade mais importante do carboneto de silício é a sua resistência à corrosão. Não só é resistente aos ácidos mais agressivos (clorídrico, sulfúrico e fluorídrico), bases e solventes imagináveis - bem como a meios oxidantes como o ácido nítrico ou o vapor - como também possui excelentes propriedades de isolamento contra danos causados por temperaturas extremas ou campos eléctricos.

O carboneto de silício sinterizado oferece uma excelente resistência térmica devido à sua natureza densa, à sua dureza, às suas caraterísticas de semicondutor com um grande intervalo de banda, que permite um menor consumo de energia dos electrões para a deslocação da banda de condução, e ao seu baixo coeficiente de expansão térmica.

A resistência à corrosão também pode ser melhorada através da presença de aditivos de sinterização, fases de contorno de grão e porosidade; o seu tipo e quantidade dependem da rapidez com que a corrosão reage com outros ambientes.

Os estados de oxidação do carboneto de silício podem ser controlados através da ação do carbono como agente passivante, ajudando a reduzir as taxas de corrosão e a prolongar a vida útil do produto quando exposto a ambientes oxidantes em serviço.

Condutividade térmica

O carboneto de silício é um material extremamente duro, situado algures entre a alumina (9 na escala de Mohs) e o diamante (10). Devido à sua combinação de dureza e estabilidade térmica, o carboneto de silício é uma excelente escolha de material para aplicações mecânicas exigentes em peças concebidas para suportar materiais resistentes ao desgaste, bem como refractários.

Além disso, devido à sua excelente resistência ao choque térmico e à sua baixa taxa de expansão térmica, a borracha de silicone é adequada para utilização em ambientes de alta temperatura e em componentes utilizados em sistemas de tubagens.

O carboneto de silício pode ser dopado com vários elementos para alterar as suas propriedades electrónicas. A dopagem com azoto ou fósforo transforma-o num semicondutor de tipo n, enquanto a dopagem com berílio, boro ou alumínio o transforma num semicondutor de tipo p.

A diferença de bandgap do carboneto de silício entre as suas bandas de valência e de condução torna mais difícil para os electrões alternarem entre as duas bandas, permitindo-lhe suportar até 10 vezes mais campos eléctricos antes de se tornar frágil e quebrar do que o silicone.

Condutividade eléctrica

O carboneto de silício oferece uma gama de propriedades eléctricas que podem ser adaptadas por dopagem. A dopagem envolve a adição de impurezas à sua estrutura cristalina, de modo a formar electrões livres e buracos que conduzem eletricidade, dando ao SiC valores de condutividade dez vezes superiores aos do silício.

As propriedades eléctricas do carboneto de silício são determinadas em grande parte pelo seu "band-gap". Esta diferença entre os níveis de energia da banda de valência e da banda de condução de um átomo determina a quantidade de campo elétrico que este pode suportar; o carboneto de silício possui um intervalo de banda mais largo do que o seu homólogo de silício, permitindo-lhe tolerar quase o dobro da tensão.

A elevada resistência à tensão torna o neodímio ideal para utilização em dispositivos de alimentação de veículos eléctricos, proporcionando distâncias de condução mais longas e uma maior eficiência na gestão da bateria. Além disso, o seu peso mais leve em comparação com alternativas como o nitreto de gálio permite aos fabricantes de eletrónica de potência reduzir significativamente o tamanho e o peso, suportando simultaneamente temperaturas elevadas com um coeficiente de expansão térmica mínimo.