A alta temperatura de fusão do carbeto de silício

O carboneto de silício é uma cerâmica não oxidante extremamente dura e resistente, com excelentes propriedades em altas temperaturas, amplamente utilizada em diversos setores para aplicações exigentes.

A análise fractográfica das amostras testadas em argônio a 1.500–2.100 °C revelou que apenas a camada mais externa estava oxidada; apenas sua camada de óxido continha grãos de boro deformados e alongados, rodeados por whiskers de WO₃.

Termodinâmica

O carboneto de silício (SiC) é um material cerâmico inerte que apresenta muitas propriedades industriais desejáveis. Entre elas estão a alta resistência mecânica, a resistência ao desgaste, a resistência ao choque térmico e a condutividade térmica — além de ser resistente a ácidos e álcalis e capaz de suportar temperaturas de até 1.600 °C.

O SiC pode atuar tanto como isolante elétrico quanto como semicondutor, dependendo de seu nível de dopagem e composição. A dopagem com nitrogênio ou fósforo gera condutividade do tipo n, enquanto a dopagem com boro, gálio ou alumínio pode gerar condutividade do tipo p.

O carboneto de silício é amplamente utilizado atualmente em setores que vão desde a produção de aço, o tratamento térmico de metais, a produção de vidro float e a fabricação de cerâmicas e componentes eletrônicos até blindagens compostas (como a blindagem Chobham) e a produção de coletes à prova de balas.

O SiC funde em função tanto da pressão quanto da temperatura, sendo que sua temperatura de fusão é determinada por ambas as variáveis. Em baixas pressões, seu diagrama de fases demonstra uma fusão incongruente que ocorre como uma mistura em equilíbrio entre o cristal cúbico 3C e o cristal hexagonal 6H (ver [17]). Em pressões mais elevadas, no entanto, estudos observaram que ele se funde de forma congruente, formando um líquido com uma curva de fusão inequívoca, conforme mostrado na Figura 5. Sua cinética lenta provavelmente se deve às grandes diferenças entre os raios atômicos do carbono e do silício (ver [18]).

Pressão

O carboneto de silício tem sido destaque na mídia devido às suas propriedades semicondutoras, especialmente seu desempenho superior em termos de resistência à tensão em comparação com o silício comum. Além disso, o carboneto de silício também pode ser utilizado como abrasivo e em aplicações refratárias, como discos de freio de alto desempenho para automóveis.

O SiC é encontrado com maior frequência na forma de carboneto de silício alfa (a-SiC), cuja estrutura cristalina hexagonal é semelhante à da wurtzita. No entanto, a forma beta também pode se formar em temperaturas mais baixas, mas possui aplicações comerciais limitadas. O SiC é conhecido por ser um material resistente e durável, com qualidades semelhantes às do diamante, além de ser resistente ao calor e à corrosão.

O carboneto de silício é produzido na forma de pó ou cristal para uso em diversas aplicações refratárias, abrasivas e metalúrgicas. Em combinação com a grafite, é frequentemente utilizado na produção de carboneto de silício reforçado com fibra de carbono, empregado em discos de freio de alto desempenho para automóveis.

O processo Lely é o método mais utilizado na fabricação de carboneto de silício. Isso envolve o aquecimento de uma mistura de areia de sílica e carvão (geralmente coque) a temperaturas muito altas em um cadinho de granito com um condutor de carbono atuando como eletrodo, enquanto a corrente elétrica passa pelo coque, criando reações químicas que permitem a sublimação em temperaturas mais baixas e o depósito em hastes de grafite em temperaturas mais frias, resultando em cristais verdes puros de SiC conhecidos como moissanita.

Difusão

O carboneto de silício (SiC) é um material cristalino amorfo com um ponto de fusão extremamente alto (2.700 °C). Devido às fortes ligações covalentes entre os átomos de Si e C, o carboneto de silício apresenta extrema dureza e fragilidade, embora não alcance a dureza do diamante (9,5 na escala de Mohs). É encontrado naturalmente na forma de moissanita, descoberta na cratera do meteorito Canyon Diablo, no Arizona, em 1893; alternativamente, é produzido artificialmente por meio da redução de sílica e carbono em um forno elétrico a altas temperaturas.

O carboneto de silício é amplamente utilizado devido às suas excepcionais propriedades físicas e químicas. Ele apresenta características elétricas superiores, como uma resistência à tensão 10 vezes maior do que a do silício padrão e um desempenho melhor em sistemas que operam acima de 1.000 V do que o nitreto de gálio; além disso, demonstra resistência ao choque térmico e ao desgaste.

Como parte dos esforços para melhorar a capacidade isolante do carboneto de silício, ele é frequentemente revestido com uma camada de carbono (conhecida como “C-cap”) para mitigar a degradação durante os processos de recozimento em alta temperatura. Infelizmente, porém, esse revestimento também pode ter efeitos prejudiciais sobre a autodifusão, ao favorecer a formação de pares de Frenkel e criar antissítios imóveis (veja a figura 4 para uma ilustração desse fenômeno). A figura 4 mostra uma comparação entre amostras sem revestimento e com revestimento de carbono recozidas a 1.700 °C por uma hora; os perfis das duas amostras diferem devido à presença de poros nas amostras com revestimento de carbono recozidas a 1.700 °C por uma hora; isso é evidenciado pelas diferenças entre seus gráficos de Arrhenius das curvas de autodifusão (indicando a presença de poros na amostra com revestimento de carbono).

Temperatura

O carboneto de silício (SiC) é um material cerâmico não oxidante com notável estabilidade térmica e resistência em altas temperaturas. Composto por átomos de carbono e silício fortemente compactados e ligados por estruturas de rede cristalina, o SiC possui um ponto de fusão muito alto — uma característica que o torna adequado para aplicações industriais em que há temperaturas extremas.

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

Na indústria siderúrgica, o carboneto de silício 90% é um componente essencial dos fornos de oxigênio básicos (BOF). Ele serve como combustível para aumentar a proporção entre sucata e metal quente e elevar a temperatura de vazamento; além disso, ajuda a desoxidar o aço ao remover impurezas do banho de fusão – além de ser um meio eficaz para controlar os níveis de teor de carbono na massa de aço fundido.

O SiC não é utilizado apenas na indústria siderúrgica; ele também possui muitas outras aplicações. Por exemplo, ele atua como um catalisador eficiente na produção de cloreto de polivinila, bem como de outros compostos orgânicos. Além disso, o SiC pode ser utilizado na produção de alumina e carbonetos de boro; além disso, é um componente essencial em blindagens compostas, como a blindagem Chobham.