Carbure de silicium

Le carbure de silicium, une céramique non oxydée réputée pour sa dureté, sa résistance mécanique et sa résistance chimique, est largement utilisé comme abrasif et comme substitut du diamant. Par ailleurs, cette céramique non oxydée a été le premier matériau utilisé pour fabriquer des LED et des détecteurs dans les premières radios.

Le carbure de silicium synthétique est fabriqué par réaction de la silice et du carbone dans un four de réaction à haute température, ce qui permet d'obtenir comme produit final des granulés ou de la poudre.

Caractéristiques

Le carbure de silicium (SiC) est une céramique technique réputée pour sa résistance exceptionnelle aux hautes températures, sa résistance à l'oxydation, sa dureté supérieure et sa faible densité, ce qui le rend adapté à la fabrication de composants de grand volume. À température ambiante, il forme des structures tétraédriques composées d'atomes de silicium liés à quatre atomes de carbone situés aux quatre sommets ; parmi ses 215 polytypes, seules la forme alpha (a-SiC) et le b-SiC, qui présente une structure cristalline cubique de type blende de zinc, présentent un intérêt technologique.

Grâce à sa large bande interdite, le graphène est un excellent matériau pour les capteurs de gaz, tandis que sa haute conductivité thermique lui permet de résister à des températures extrêmement élevées, ce qui en fait un matériau idéal pour les applications dans les fours.

Les oxydes de fer sont à la fois abrasifs et résistants à l'usure, chimiquement inertes face aux acides et aux alcalis, et leur dureté n'est surpassée que par celle du diamant. Grâce à ces caractéristiques, ils sont utilisés dans des domaines aussi variés que la découpe de matériaux, la fabrication de composants de blindage balistique et même l'aérospatiale ; d'où leur surnom de « peau de dragon ».

Le SiC synthétique est fabriqué à partir de sable de silice pur et de charbon de coke comme matières premières. Un mélange est disposé autour d'un conducteur en carbone dans un four à résistance électrique à briques, puis un courant électrique y est appliqué ; la réaction chimique qui en résulte produit du SiC, avec du monoxyde de carbone comme sous-produit.

Applications

Le carbure de silicium est l'une des substances les plus dures connues à ce jour, ce qui en fait un matériau idéal pour les revêtements résistants à l'usure dans des applications telles que les freins à disque et les contacts électriques. De plus, les composants en carbure de silicium entrent dans la composition de blindages pare-balles tels que ceux de Dragon Skin (alumine renforcée par des whiskers de carbure de silicium obtenus par broyage humide ou sec).

Sa dureté et sa résistance font de l'acier au carbone un matériau idéal pour la fabrication d'outils de coupe ou d'autres produits industriels susceptibles d'être exposés à des températures élevées ou à des vibrations, tels que les outils de coupe. L'acier au carbone constitue également un choix intéressant pour ses propriétés antidérapantes dans la fabrication de dalles de sol, de marches d'escalier ou de formulations de peinture pour terrasses. Il est par ailleurs largement utilisé comme composant de joints mécaniques sur les pompes, les compresseurs et les agitateurs appelés à fonctionner dans des environnements exigeants, notamment ceux présentant une forte corrosivité.

À l'état pur, le SiC est généralement un isolant électrique ; cependant, certaines impuretés peuvent modifier cette propriété et le transformer en un matériau semi-conducteur. L'ajout de dopants tels que l'aluminium, le bore et le gallium lui confère des propriétés de semi-conducteur de type P ; les dopants à base d'azote et de phosphore peuvent, quant à eux, lui conférer des propriétés de semi-conducteur de type N. Associé à des diélectriques à base d’oxydes métalliques tels que les DiOXE, il peut également être déposé pour la fabrication de diodes à barrière de Schottky, de transistors bipolaires et de MOSFET capables de supporter des tensions élevées tout en présentant de faibles résistances de conduction ; ces dispositifs deviennent alors des outils indispensables dans diverses applications électroniques exigeant un fonctionnement rapide.

Préparation

De nombreux procédés ont été mis au point pour la production de carbure de silicium. L'un de ces procédés, mis au point par Edward Goodrich Acheson en 1893 et largement utilisé aujourd'hui par de nombreuses usines de carbure de silicium à travers le monde, est connu sous le nom de procédé Acheson. Il consiste à mélanger de la silice et du carbone dans un four électrique avant de les chauffer. Cette méthode reste très répandue aujourd'hui et de nombreuses usines l'utilisent encore pour fabriquer du carbure de silicium de haute qualité.

Des travaux récents menés à l’Université du Nouveau-Mexique ont permis de mettre au point une technique plus moderne, dite « approche descendante », dans laquelle les chercheurs ont exfolié du carbure de silicium hexagonal massif soit dans de l’alcool isopropylique, soit dans de la N-méthyl-2-pyrrolidone avant de modifier sa liaison de sp³ à sp², afin d’isoler du carbure de silicium monocouche bien plus rapidement et simplement que les méthodes antérieures, qui nécessitaient un équipement coûteux. Cette approche descendante permet d’isoler beaucoup plus rapidement le carbure de silicium monocouche.

L'équipe de recherche s'est également penchée sur des méthodes de synthèse du carbure de silicium en phase gazeuse. Ces procédés peuvent être rapides, permettent d'obtenir des rendements élevés sans recourir à des catalyseurs à l'état solide et sont plus respectueux de l'environnement que la méthode traditionnelle de calcination.

Dans le cadre de ces réactions en phase gazeuse, divers précurseurs d'organosilanes contenant de l'oxygène, tels que le tétraéthoxysilane et le méthyltriéthoxysilane (MTES), ont été testés, notamment le tétraéthoxysilane et le MTES. L'hydrolyse du MTES avec de la résine phénolique, de l'éthylcellulose, du polyacrylonitrile et de l'amidon a permis de former un gel qui a été carbonisé à 750 °C pour obtenir un matériau de support de catalyseur en b-SiC mésoporeux.

Propriétés

Le carbure de silicium est un matériau céramique extrêmement résistant utilisé dans de nombreux domaines. Il se caractérise par une résistance mécanique et une dureté élevées, un faible coefficient de dilatation thermique et une bonne résistance à l'usure, tout en étant résistant aux chocs thermiques et à la corrosion chimique. Le carbure de silicium trouve des applications dans les secteurs de l'automobile, de la mécanique et de la chimie, ainsi que dans la protection de l'environnement, les technologies spatiales, l'électronique de l'information, les sources d'énergie et bien d'autres encore.

Le SiC est un matériau semi-conducteur à large bande interdite (avec des bandes interdites électroniques comprises entre 2,4 eV pour le SiC amorphe et 3,3 eV pour le SiC cristallin), qui se caractérise par une excellente conductivité et une grande stabilité thermique. Ces propriétés en font un choix intéressant pour les composants électriques en raison de sa fiabilité et de son rendement supérieurs, en particulier dans les applications à forte puissance.

Le carborundum, une autre forme dense du SiC et l’un des deux minéraux naturels les plus durs sur Terre après le diamant (9-10 sur l’échelle de Mohs), présente une structure cristalline covalente fondée sur des liaisons Si-C, avec des tétraèdres centrés autour d’atomes de silicium ou de carbone formant des structures cristallines hexagonales similaires à celles de la wurtzite ; le polymorphe a-SiC, doté d'une structure cristalline hexagonale, est le plus courant, tandis que la variante bêta, présentant une structure cristalline de type blende de zinc, est moins répandue.

La production moderne de SiC synthétique consiste à faire réagir du sable en poudre avec du carbone dans un four électrique à haute température et haute pression, puis à procéder à un frittage afin de lier les grains entre eux pour obtenir un matériau exceptionnellement dur et résistant. Les fabricants d'abrasifs utilisent généralement du SiC fritté par liaison réactive, tandis que les fabricants d'électronique de pointe ont recours à la méthode Lely ou au dépôt chimique en phase vapeur. Les travailleurs exposés à des abrasifs fabriqués selon l’un ou l’autre de ces procédés pourraient présenter un risque accru de fibrose pulmonaire interstitielle diffuse ou d’autres affections pulmonaires.