Estrutura e aplicações do carbeto de silício

O carbeto de silício, ou SiC, é um material extremamente forte e durável com algumas propriedades elétricas exclusivas.

O carbono cristalino pode ser encontrado cristalizado em estruturas densamente compactadas que são ligadas covalentemente entre si. Seus átomos formam dois tetraedros de coordenação primária com quatro átomos de carbono e quatro átomos de silício em cada canto, que se ligam por meio de seus cantos para formar estruturas politípicas chamadas de politípicos.

Propriedades físicas

O carbeto de silício é um material extremamente duro com uma classificação de dureza Mohs entre 9 e 10, situando-se entre a alumina e o diamante. O carbeto de silício é amplamente utilizado como material abrasivo na lapidação moderna, em operações de esmerilhamento e usinagem, como revestimento refratário para fornos industriais, ferramentas de corte, peças resistentes ao desgaste de bombas e motores de foguetes, bem como fita adesiva resistente ao desgaste em skates e na impressão com carborundum - o processo de aplicação de grãos de carborundum em uma placa de alumínio e, em seguida, a impressão em papel usando prensas de leito rolante (Mountain).

Os policarbonatos sintéticos podem ser produzidos sinteticamente usando processos de ligação por reação ou de sinterização, com o último aprimorado por meio da adição de carbono 0,5% ou boro 0,5% como um auxiliar de sinterização, para evitar a difusão da superfície e modificar a energia de contorno de grão (Mountain).

O SiC é uma cerâmica industrial impressionante com diversas propriedades mecânicas que o tornam inestimável em vários ambientes industriais. Com alta condutividade térmica e baixas taxas de expansão térmica, seu uso em eletrônica de potência para sistemas de acionamento de veículos elétricos terrestres tornou-se mais predominante do que nunca. Além disso, as características elétricas do SiC também poderiam substituir os semicondutores de silício tradicionais em aplicações de alta tensão, como inversores de tração para veículos elétricos e conversores CC/CC para estações de carregamento.

Propriedades químicas

O carbeto de silício pode ser dopado com nitrogênio 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 compactada, o carbeto de silício oferece uma plataforma ideal para dopagem.

O material refratário é duro, quebradiço e termicamente condutor. Ele pode suportar altas temperaturas e tensões, enquanto seu baixo coeficiente de expansão térmica oferece vantagens quando usado em aplicações sujeitas a variações de temperatura.

Embora a moissanita natural (Csi3SiO6) possa ser encontrada em meteoritos e kimberlitos, a maior parte do carbeto de silício vendido atualmente é sintética. Ele se apresenta em diversas formas, desde grãos cristalinos verdes a pretos até wafers de SiC de seis polegadas usados em aplicações de eletrônica de potência, e é quimicamente inerte, pois 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 elétricas

O carbeto de silício (SiC) é um material semicondutor, situado entre os metais (que conduzem eletricidade) e os isolantes (que não conduzem). As propriedades elétricas do SiC dependem da temperatura e das impurezas em sua composição: em baixas temperaturas, ele age como um isolante, enquanto em temperaturas mais altas sua condutividade se torna perceptível. A condutividade do SiC pode ser melhorada com a adição de impurezas de alumínio, boro ou gálio, que aumentam os portadores de carga livre e convertem o SiC em um semicondutor do tipo P.

A combinação de propriedades físicas e químicas da argila faz dela um material atraente em vários setores, desde placas de cerâmica que aumentam a resistência à abrasão e a força de frenagem até sua alta condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão, que permitem que ela seja usada em aplicações de alta temperatura.

Além disso, seu bandgap exclusivo permite que ele opere em tensões e frequências mais altas do que os eletrônicos tradicionais baseados em silício, tornando-o o material perfeito para dispositivos de energia, como diodos, transistores e tiristores.

Propriedades térmicas

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

O SiC é um condutor térmico eficaz devido à sua estrutura de cristal cúbico de diamante com metade dos átomos substituídos por silício, o que proporciona uma condutividade térmica superior. O SiC apresenta um bandgap eficiente que permite que os elétrons se movam facilmente entre suas bandas de valência e de condução, em comparação com os isolantes que exigem quantidades excessivas de energia para que os elétrons cruzem essa lacuna entre suas bandas.

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