A elevada temperatura de fusão do carboneto de silício

O carboneto de silício é uma cerâmica não óxida extremamente dura e forte com excelentes propriedades a altas temperaturas, amplamente utilizada em várias indústrias para aplicações exigentes.

O exame fractográfico de espécimes testados em árgon a 1500-2100 graus Celsius mostrou que apenas a camada mais exterior estava oxidada; apenas a sua escala de óxido continha grãos de boro deformados e alongados com bigodes de WO3 à volta.

Termodinâmica

O carboneto de silício (SiC) é um material cerâmico inerte que possui muitas propriedades industriais desejáveis. Estas incluem elevada resistência, resistência ao desgaste, resistência ao choque térmico e condutividade térmica - bem como resistência a ácidos e álcalis e capacidade de suportar temperaturas até 1600 graus Celsius.

O SiC pode atuar como isolador elétrico ou semicondutor, dependendo do seu nível de dopagem e composição. A dopagem com azoto ou fósforo cria uma condutividade de tipo n, enquanto a dopagem com boro, gálio ou alumínio pode gerar uma condutividade de tipo p.

O carboneto de silício é amplamente utilizado atualmente em indústrias que vão desde a produção de aço, tratamento térmico de metais, produção de vidro flotado e fabrico de cerâmica e componentes electrónicos até à produção de armaduras compostas (como a armadura Chobham) e coletes à prova de bala.

O SiC funde em função da pressão e da temperatura, sendo a sua temperatura de fusão determinada por ambas as variáveis. A baixas pressões, o seu diagrama de fases demonstra uma fusão incongruente que ocorre como uma mistura em equilíbrio de cristal cúbico 3C e cristal hexagonal 6H (ver [17]). No entanto, a pressões mais elevadas, os estudos observaram a sua fusão congruente para formar líquido com uma curva de fusão inequívoca, como se pode ver na Figura 5. A sua cinética lenta deve-se provavelmente às grandes diferenças entre as diferenças de raio atómico do carbono e as diferenças de raio atómico do silício (ver [18].

Pressão

O carboneto de silício tornou-se notícia devido às suas propriedades semicondutoras, em particular o seu desempenho superior em termos de resistência à tensão em comparação com o silício normal. Além disso, o carboneto de silício também pode ser utilizado como abrasivo e em aplicações refractárias, como discos de travão de alto desempenho para automóveis.

O SiC é mais frequentemente encontrado como carboneto de silício alfa (a-SiC), com a sua estrutura cristalina hexagonal semelhante à Wurtzite. No entanto, a forma beta também se pode formar a temperaturas mais baixas, mas tem aplicações comerciais limitadas. O SiC é conhecido por ser um material duro e resistente, com qualidades semelhantes às do diamante, resistente ao calor e à corrosão.

O carboneto de silício é produzido sob a forma de pó ou cristal para utilização em várias aplicações refractárias, abrasivas e metalúrgicas. Em combinação com grafite, é frequentemente utilizado para produzir carboneto de silício reforçado com fibra de carbono, utilizado em discos de travão de elevado desempenho para automóveis.

O processo Lely é a forma mais comum de fabrico de carboneto de silício. Este processo envolve o aquecimento de uma mistura de areia de sílica e carvão (normalmente coque) a temperaturas muito elevadas num cadinho de granito com um condutor de carbono a atuar como elétrodo, enquanto a corrente eléctrica passa através do coque, criando reacções químicas que permitem a sublimação a temperaturas mais baixas e o depósito em varetas de grafite a temperaturas mais frias, resultando em cristais verdes puros de SiC conhecidos como moissanite.

Difusão

O carboneto de silício (SiC) é um material cristalino amorfo com um ponto de fusão extremamente elevado (2700oC). Devido às fortes ligações covalentes entre os átomos de Si e C, o carboneto de silício apresenta uma dureza e fragilidade extremas, embora não corresponda à dureza do diamante (escala de 9,5 Mohs). Encontrado naturalmente como moissanite, que foi descoberta na cratera do meteoro Canyon Diablo, no Arizona, em 1893; em alternativa, é fabricado artificialmente utilizando a redução sílica-carbono num forno elétrico a altas temperaturas.

O carboneto de silício é amplamente utilizado devido às suas excepcionais propriedades físicas e químicas. Apresenta caraterísticas eléctricas superiores, tais como uma resistência à tensão 10 vezes superior à do silício normal e um melhor desempenho em sistemas que funcionam a mais de 1000 V do que o nitreto de gálio; além disso, demonstra resistência ao choque térmico, bem como resistência ao desgaste.

Como parte dos esforços para melhorar a capacidade de isolamento do carboneto de silício, este é frequentemente coberto com uma camada de carbono (conhecida como C-cap) para mitigar a degradação durante os processos de recozimento a alta temperatura. Infelizmente, porém, este revestimento pode também ter efeitos prejudiciais na auto-difusão, encorajando a formação de pares Frenkel e criando anti-sites imóveis (ver figura 4 para uma ilustração deste fenómeno). A figura 4 mostra a comparação entre amostras não revestidas e revestidas com C recozidas a 1700oC durante uma hora; as formas dos perfis diferem entre as amostras devido aos orifícios presentes nas amostras revestidas com C recozidas a 1700oC durante uma hora em ambas as amostras, o que é evidenciado pelas diferenças entre os gráficos de Arrhenius das curvas de autodifusão (indicando orifícios presentes na amostra revestida com C).

Temperatura

O carboneto de silício (SiC) é um material cerâmico não óxido com uma notável estabilidade térmica e resistência a temperaturas elevadas. Composto por átomos de carbono e silício bem compactados e ligados por estruturas cristalinas, o SiC tem um ponto de fusão muito elevado - um atributo que o torna adequado para utilizações industriais onde existem temperaturas extremas.

O SiC puro não é um excelente condutor elétrico; no entanto, a dopagem com dopantes específicos aumenta significativamente a sua condutividade. Além disso, a resistência ao choque térmico e a resistência à fluência do SiC excedem outros materiais cerâmicos de alta temperatura, como a alumina ou o carboneto de boro.

Na indústria siderúrgica, o carboneto de silício 90% é um componente integral dos fornos básicos a oxigénio (BOF). Serve de combustível para aumentar a relação entre a sucata e o metal quente e elevar a temperatura da torneira; além disso, ajuda a desoxidar o aço, eliminando as impurezas da sua poça de fusão - bem como é um meio eficaz de controlar os níveis de teor de carbono na fusão do aço.

O SiC não é utilizado apenas na indústria siderúrgica; tem também muitas outras aplicações. Por exemplo, serve como um catalisador eficiente na produção de cloreto de polivinilo, bem como de outros compostos orgânicos. Além disso, o SiC pode ser utilizado para produzir alumina e carbonetos de boro; além disso, é um componente integral em armaduras compostas, como a armadura Chobham.