Explorando a durabilidade do carboneto de silício em ambientes agressivos

O carboneto de silício é um composto forte formado através da reação química a alta temperatura entre o silício e o carbono, com uma estrutura cristalina extremamente durável que o torna adequado para utilização em ambientes agressivos.

O carboneto de silício requer controlos de qualidade rigorosos durante o seu processo de produção para garantir a sua longevidade em ambientes de trabalho agressivos. Iremos explorar os factores que afectam a sua longevidade.

Resistência à corrosão

O SiC é um material extremamente duro e denso, composto por diferentes formas ou politípicos de estrutura cristalina de carboneto de silício com átomos de carbono dispostos de forma tetraédrica para constituir as suas camadas ou politípicos, produzindo estruturas com átomos de carbono dispostos em ligações tetraédricas entre átomos de carbono dispostos em camadas ou politípicos que criam as suas qualidades únicas de resistência à corrosão. O carboneto de silício sinterizado sem pressão (C/C-SiC) resiste a todos os ácidos (clorídrico e sulfúrico), solventes básicos e ambientes oxidantes como o ácido nítrico, mantendo-se suficientemente resistente à corrosão para que cadinhos sólidos feitos de C/C-SiC sejam frequentemente utilizados como aplicações de revestimento de fornos.

A corrosão dos materiais de SiC pode ser extremamente complexa, dependendo de múltiplos factores. A resistência à corrosão dos materiais depende da sua espessura e da profundidade da camada de óxido que se desenvolve durante os processos de oxidação; além disso, os mecanismos químicos e físicos responsáveis pela produção da famosa taxa de oxidação parabólica permanecem incompletamente compreendidos.

Os ensaios de corrosão a longo prazo são necessários para avaliar o efeito dos ambientes corrosivos na resistência dos materiais. A corrosão a longo prazo pode aumentar as falhas superficiais que diminuem a resistência e a durabilidade dos materiais ao longo do tempo.

A Elkem efectuou análises exaustivas da sensibilidade à corrosão de quatro tipos de juntas de placas de SiC com SiC, unidas através de ligação por difusão de metal com intercamada de molibdénio ou titânio, sinterização por reação e sinterização de nanopó de SiC. Todas as amostras suportaram testes hidrotérmicos de cinco semanas a temperatura elevada sem contaminação por radiação durante os testes hidrotérmicos de cinco semanas a temperatura elevada.

Resistência à expansão térmica

O carboneto de silício (SiC) é um material sintético extremamente duro, situado algures na escala de Mohs entre a alumina (9), com uma média de 9, e o diamante (10 em média). O SiC é utilizado como abrasivo e em peças resistentes ao desgaste em aplicações mecânicas; em revestimentos refractários de fornos industriais e cerâmicas; em revestimentos refractários de tanques de combustível de aviões; em revestimentos refractários de fornos utilizados pela indústria; e em dispositivos electrónicos semicondutores que funcionam a altas temperaturas.

O carboneto de silício é um material cerâmico termomecânico notável com um baixo coeficiente de expansão térmica, o que lhe permite manter a sua forma e tamanho durante as rápidas flutuações de temperatura e tornar mais fiáveis os produtos que funcionam em ambientes extremos.

O carboneto de silício possui propriedades mecânicas excepcionais e apresenta uma grande condutividade térmica com uma vasta gama de temperaturas de funcionamento, além de ser altamente resistente à corrosão e ao ataque químico, o que o torna adequado para aplicações em ambientes agressivos em indústrias como a automóvel, a aeroespacial e a eletrónica.

Este livro apresenta a tecnologia de microssistemas baseada em carboneto de silício (SiC), tanto a granel como em película fina, abrangendo a sua ascensão à proeminência como plataforma essencial para microssistemas em ambientes adversos, combinando o fabrico de dispositivos electrónicos com dispositivos MEMS mecânicos. Este livro também investiga as dificuldades inerentes à combinação de vários processos e materiais em módulos de sensores utilizáveis; em particular, a incompatibilidade de temperatura entre componentes, bem como as sensibilidades ambientais do SiC são exploradas extensivamente, enquanto se discute o estado da arte tanto na tecnologia de SiC de material a granel como nas tecnologias de película fina de SiC.

Resistência ao desgaste

O carboneto de tungsténio (WC) é uma liga importante e versátil utilizada em múltiplas aplicações, apresentando uma dureza extrema, elevada condutividade, baixa expansão térmica e resistência à corrosão. O carboneto de tungsténio é criado quando o pó de tungsténio puro é misturado com outros metais, como o carbono, o níquel ou o cobalto, através de um processo designado por sinterização; depois é moldado em formas para utilizações específicas através de prensagem e forjamento, mais frequentemente em ferramentas de corte. A extrema durabilidade do tungsténio vai muito mais longe do que a de outros metais utilizados em ferramentas de corte; além disso, é frequentemente utilizado por unidades militares que utilizam uma tática de ataque denominada bombardeamento cinético, em que as balas são disparadas diretamente contra os inimigos para penetrar na proteção da armadura e nas defesas inimigas.

O carboneto de tungsténio (WC) é amplamente utilizado na engenharia de precisão devido à sua capacidade de suportar velocidades e pressões muito elevadas, apresentando o módulo de Young mais elevado, a superfície mais dura, a taxa de expansão térmica mais baixa e a melhor resistência ao desgaste de todos os metais. Além disso, a grande ductilidade do WC permite-lhe ser formado em barras ou extrudido como fio, como nas lâmpadas incandescentes.

O carboneto de tungsténio é notoriamente frágil e suscetível de rachar ou partir sob fortes impactos, o que o torna mais propenso a impactos do que metais preciosos como o ouro e a platina. No entanto, continua a ser popularmente utilizado em aplicações militares onde a resistência ao choque é vital, como nas instalações de teste de crateras da NCSU, que utilizam discos amortecedores feitos de carboneto de tungsténio para absorver impactos de projécteis.

Condutividade eléctrica

A combinação única de propriedades cerâmicas e semicondutoras do carboneto de silício faz dele um material altamente adaptável, adequado para utilizações industriais e electrónicas. Devido a estas propriedades, os componentes electrónicos de carboneto de silício podem funcionar mesmo em ambientes agressivos, com temperaturas e níveis de tensão elevados, que normalmente impediriam outros componentes electrónicos de funcionar corretamente.

Do ponto de vista químico, o carboneto de silício é um material incrivelmente estável. Resiste à maior parte dos ácidos (clorídrico, sulfúrico e fluorídrico), sais e álcalis, com exceção do ácido sulfúrico concentrado; além disso, não reage com a água, o que o torna um material ideal para componentes que requerem uma exposição prolongada a líquidos.

O carboneto de silício oferece excelentes propriedades eléctricas devido à sua estrutura atómica. Cristaliza-se em estruturas compactadas contendo camadas de carbono e silício ligadas covalentemente. Estas camadas podem ser dispostas em diferentes configurações denominadas politopos; cada politopo distingue-se pela sua própria sequência de empilhamento, dando origem a várias estruturas cristalinas, cada uma com propriedades únicas.

As múltiplas propriedades do carboneto de silício colocam-no na vanguarda da inovação tecnológica. A utilização em aplicações de engenharia extremas e de elevado desempenho, como rolamentos de bombas, válvulas, injectores de jato de areia e matrizes de extrusão, bem como o fabrico de dispositivos semicondutores que funcionam em ambientes extremos, pode conduzir a melhorias significativas em todas as indústrias.