Uma visão geral dos materiais cerâmicos de carbeto de silício

O carboneto de silício é um dos materiais cerâmicos avançados mais duros e duráveis, utilizado tanto por sua dureza como material abrasivo quanto por sua resistência ao calor e baixo coeficiente de expansão térmica em aplicações refratárias e cerâmicas.

A moissanita também pode ocorrer naturalmente como o mineral transparente moissanita. As primeiras amostras sintetizadas artificialmente foram criadas em 1891, durante a tentativa de Edward Acheson de produzir diamantes artificiais; posteriormente, o químico Henri Moissan, ganhador do Prêmio Nobel, sintetizou artificialmente mais amostras.

Resistência a altas temperaturas

O carboneto de silício (SiC) é uma cerâmica não óxida extremamente resistente que oferece excepcional resistência à corrosão e ao ataque químico em altas temperaturas. O SiC é utilizado como material de revestimento refratário em fornos industriais; rebolos; ferramentas de corte; e em aplicações nas quais a resistência é essencial, tais como rebolos, ferramentas de corte e aplicações de usinagem. Além disso, os componentes de SiC constituem peças fundamentais em elementos de aquecimento por resistência, termistores para fornos elétricos, bem como em tubos de revestimento e superfícies de vedação que contêm SiC.

O SiC é conhecido por sua resistência térmica superior e resistência mecânica em altas temperaturas, o que o torna muito valorizado em aplicações industriais. O SiC resiste à oxidação em temperaturas de até 1.000 °C, criando uma camada protetora de óxido que atua como uma barreira entre suas superfícies e os elementos ao seu redor; no entanto, em temperaturas mais elevadas, rachaduras podem penetrar nessa barreira e dissipar energia por meio de regiões intercristalinas ou granulares, o que dificulta o aumento da resistência em altas temperaturas.

O carboneto de silício pode ser fabricado por meio de dois processos distintos: ligação por reação e sinterização. Ambas as formas exercem influências significativas sobre sua microestrutura e, consequentemente, sobre seu desempenho em altas temperaturas. A ligação por reação envolve a infiltração de compactos verdes, compostos por misturas de SiC e carbono, com silício líquido; isso cria estruturas com variação mínima de dimensões durante o processamento e uma área superficial extensa. A microestrutura refratária do tipo núcleo-invólucro proporciona características únicas que, comprovadamente, aumentam a resistência do SiC em altas temperaturas.

Resistência a altas temperaturas

A notável resistência do carboneto de silício o torna uma excelente opção de material para aplicações em altas temperaturas, como pastilhas de freio de cerâmica para automóveis de passeio. O material é capaz de suportar temperaturas de até 1.400 °C, mantendo, ao mesmo tempo, sua excepcional resistência e dureza, o que faz do carboneto de silício um material ideal.

O carboneto de silício se destaca dos demais materiais cerâmicos por não se degradar nem derreter em altas temperaturas, tornando-o adequado para uso em aplicações sujeitas a altas tensões e cargas, como rolamentos e placas à prova de balas, sem sofrer danos estruturais permanentes. Isso torna o carboneto de silício particularmente ideal para aplicações que envolvem altos níveis de tensão por carga, como rolamentos e placas à prova de balas.

O carboneto de silício ocorre naturalmente na forma do mineral extremamente raro chamado moissanita, enquanto a produção de carboneto de silício sintético atende às demandas das modernas indústrias de defesa nacional, energia nuclear, tecnologia espacial e aeroespacial, que exigem dimensões precisas.

O carboneto de silício sinterizado apresenta uma das maiores condutividades térmicas entre as cerâmicas técnicas, perdendo apenas para o nitreto de alumínio. Isso pode ser atribuído à sua estrutura de oxigênio na rede cristalina, que produz grande dispersão de fônons. Embora sua condutividade térmica possa ser aumentada ainda mais com o uso de aditivos de óxido nos processos de sinterização, esses aditivos devem ser mantidos no mínimo absoluto para preservar a estabilidade estrutural e a resistência à oxidação do material.

Baixo coeficiente de expansão térmica

O baixo coeficiente de expansão térmica do carboneto de silício o torna o material perfeito para uso como compósito de matriz cerâmica (CMC) em condições adversas, o que explica sua ampla utilização em aplicações como turbinas a gás e bicos de foguetes, onde os materiais precisam suportar altas temperaturas, bem como ambientes sujeitos a choques térmicos.

A resistência à corrosão torna o aço inoxidável uma excelente opção de material para revestimentos de fornos da indústria química, onde ele é capaz de suportar temperaturas extremas sem perder sua integridade estrutural. Além disso, o aço inoxidável oferece grande estabilidade química, permitindo longos períodos de operação em ambientes líquidos hostis, como soluções ácidas e alcalinas.

O polimorfo mais comum do carboneto de silício, a forma alfa, pode ser encontrado em temperaturas acima de 1.700 °C, com estrutura cristalina do tipo wurtzita e pontos de fusão acima de 1.700 °C. No entanto, também pode existir a forma beta, mais rara, com sua estrutura cristalina de blenda de zinco, semelhante à do diamante, e ponto de fusão mais baixo, de 1.030 °C — essa forma mais rara pode servir como suporte para catalisadores heterogêneos.

O carboneto de silício pode ser encontrado tanto na forma de cerâmicas porosas quanto densas. As técnicas de produção variam amplamente, e a microestrutura final depende do método de produção utilizado. O SiC ligado por reação é produzido pela infiltração de compactos de uma mistura de carbono e SiC com silício fundido, que reagem entre si para formar mais SiC, ligando o compacto inicial; o SiC sinterizado, como o Hexoloy, é formado por meio de processos convencionais de moldagem de cerâmica antes de ser sinterizado em altas temperaturas sob atmosfera inerte.

Alta dureza

A dureza do carboneto de silício na escala de Mohs chega a 9,5, o que o coloca em terceiro lugar, atrás apenas do diamante e do nitreto de boro. Isso o torna adequado para ferramentas de corte e materiais abrasivos, bem como para a fabricação de peças resistentes ao desgaste em altas temperaturas, como rolamentos e vedações, em aplicações da indústria mecânica.

A combinação única de propriedades químicas estáveis, excelente condutividade térmica, baixo coeficiente de expansão térmica, dureza e resistência mecânica do carboneto de silício fez com que ele fosse amplamente utilizado em diversos setores, incluindo petróleo, engenharia química, microeletrônica, automotivo, aviação, fabricação de papel, laser e mineração. Além disso, o carboneto de silício também é utilizado em aplicações nas áreas de proteção ambiental, informática, eletrônica e uso de energia.

O carboneto de silício (SiC) pode ser produzido por meio de dois processos: ligação por reação e sinterização, os quais influenciam sua microestrutura final. O SiC ligado por reação é normalmente produzido por meio da infiltração de compactos compostos por misturas de silício e carbono com silício líquido, que então reage com outras moléculas de silício-carbono para formar mais ligações de SiC, enquanto o SiC sinterizado é fabricado utilizando técnicas convencionais de conformação cerâmica e auxiliares de sinterização não oxidados para a produção.

A excelente usinabilidade do carboneto de silício o torna um material ideal para a fabricação de componentes de vedação resistentes ao desgaste, especialmente quando combinado com grafite. Essa combinação oferece coeficientes de atrito mais baixos do que a cerâmica de alumina e as ligas duras, além de manter sua forma mesmo sob altos valores de PV, evitando o vazamento de substâncias químicas, como álcalis e ácidos, para o meio ambiente.