Dureté et propriétés du carbure de silicium brut

Le carbure de silicium (SiC) est l'un des matériaux synthétiques les plus durs, après le diamant. En raison de son extrême dureté, de sa résistance à l'usure et de sa résistance à la chaleur, le carbure de silicium est un matériau précieux pour les applications d'abrasifs et de réfractaires.

Le carbure de silicium brut peut être produit par la fusion de sable de quartz, de coke de pétrole et de copeaux de bois dans un four à résistance, produisant comme sous-produit du SiC de couleur noire ou verte.

Dureté

Le carbure de silicium est l'un des matériaux les plus durs, après le diamant et le nitrure de bore cubique en termes de dureté. Avec une dureté de Mohs de 9,5, le carbure de silicium est très difficile à endommager ou à user et est donc idéal pour les applications nécessitant une résistance à l'usure, telles que les abrasifs ou les réfractaires. En outre, son excellente conductivité thermique et sa faible dilatation thermique en font un matériau adapté aux équipements de l'aérospatiale et de la défense qui doivent résister à des environnements difficiles tels que des températures élevées ou une exposition aux radiations.

Edward Goodrich Acheson a découvert le carbure de silicium par accident lors d'une tentative de création de diamants artificiels en 1891. Alors qu'il chauffait un mélange d'argile et de coke en poudre dans un bol en fer, sa teinte verte incandescente l'a amené à penser qu'il avait découvert un alliage composé de silicium et de carbone similaire au corindon, un minéral que l'on trouve à l'état naturel. Plus tard, Henri Moissan a synthétisé des formes synthétiques en dissolvant du silicium dans du carbone chaud.

Le carbure de silicium est depuis longtemps utilisé comme matière première industrielle et on le trouve aujourd'hui dans de nombreuses applications allant du papier de verre, des meules et des outils de coupe à la fabrication de revêtements réfractaires pour les fours et de pièces résistantes à l'usure pour les pompes et les moteurs de fusée. En outre, en électronique, il sert de matériau de base pour les semi-conducteurs, car il peut résister à des températures, des pressions et des fréquences plus élevées que les semi-conducteurs conventionnels. Il peut également être dopé à l'azote, au phosphore, au béryllium ou à l'aluminium pour former différents types de semi-conducteurs.

Conductivité thermique

La dureté extraordinaire du carbure de silicium brut - qui n'est dépassée que par le diamant et certains composés synthétiques - en fait un matériau indispensable dans de nombreuses applications. Non seulement sa résistance à l'usure est élevée, mais sa conductivité thermique, son coefficient de dilatation thermique, ses propriétés semi-conductrices et son pouvoir de coupure du champ électrique en font un candidat de choix. En outre, selon la composition de ses matières premières, il peut avoir un aspect noir ou vert en fonction des processus de production utilisés.

La synthèse du carbure de silicium nécessite une sélection et des tests minutieux des matières premières afin de contrôler la pureté et la qualité du produit fini. Une fois sélectionnées, elles sont introduites dans un four où se produit une réaction de carbonisation à des températures élevées de 2000 à 2500 degrés Celsius ; avant cette étape, elles sont également pulvérisées et tamisées pour répondre aux exigences du processus de production en termes de taille des particules.

Les travailleurs qui manipulent du carbure de silicium doivent faire preuve d'une extrême prudence afin d'éviter toute exposition de la peau et des yeux ainsi que des affections respiratoires. Le carbure de silicium doit toujours être stocké et transporté dans des conteneurs scellés dans un environnement frais, avec des douches d'urgence facilement accessibles en cas d'exposition ; en outre, les travailleurs doivent laver tout vêtement de travail contaminé avant de quitter le travail pour rentrer chez eux. Dans un monde idéal, les contrôles techniques permettraient de réduire les niveaux d'exposition ; toutefois, un équipement de protection individuelle peut toujours être nécessaire en fonction de la tâche à accomplir.

Résistance aux réactions chimiques

Le carbure de silicium est l'un des matériaux les plus durs qui soient, avec une dureté de Mohs de 9 à 10 (après le diamant et certains composés synthétiques). En outre, sa résistance à la chaleur lui permet d'être utilisé dans des applications réfractaires et résistantes à l'usure, tandis que sa conductivité électrique permet de transférer des courants/voltages/pertes d'énergie plus élevés sans perturber la fourniture de services.

Le procédé Acheson est la méthode de référence pour la fabrication du carbure de silicium. Les matières premières, telles que le sable siliceux et le coke de pétrole, sont combinées dans un four à résistance électrique avant d'être traversées par un courant électrique qui déclenche une réaction chimique entre le carbone du coke et le silicium du sable pour former le carbure de silicium. Cette réaction prend généralement plusieurs jours jusqu'à la formation d'un lingot de SiC qui sera ensuite raffiné, pulvérisé, criblé, façonné et enfin transformé en produit fini.

À chaque étape de ce processus, il est essentiel que les travailleurs prennent des mesures pour se protéger de l'exposition à la poussière de carbure de silicium. Lorsqu'ils travaillent avec des poussières de carbure de silicium, les travailleurs doivent porter des lunettes et des vêtements de protection conçus pour empêcher les poussières de pénétrer dans leurs yeux ou d'entrer en contact avec la peau ; chaque fois que de la poussière entre en contact avec les zones exposées, ils doivent laver leurs vêtements immédiatement afin d'éviter les abrasions ou d'autres complications. En outre, les travailleurs doivent être conscients des risques liés au fait de ramener des vêtements de travail sales à la maison ; les douches d'urgence fournies par l'entreprise à la fin du travail doivent également être utilisées par les travailleurs lorsque cela s'avère nécessaire.

Conductivité électrique

Le carbure de silicium est un semi-métal, c'est-à-dire qu'il se situe entre les métaux (qui conduisent l'électricité) et les isolants (qui ne la conduisent pas). À haute température, le carbure de silicium s'avère un excellent conducteur électrique, mais son efficacité dépend des impuretés présentes dans sa composition.

Le carborundum est produit par la réaction entre le sable siliceux et le carbone dans un four électrique utilisant une électrode de carbone comme source d'électricité, produisant un mélange de Si et de C qui est chauffé à environ 2 700 degrés Celsius, où la formation de cristaux commence à ressembler à la formation de corindon minéral en cristaux de carbure de silicium connus sous le nom de “carborundum”. Aujourd'hui, on trouve ce matériau dans les abrasifs, les outils de coupe et les réfractaires, les substrats semi-conducteurs pour les diodes électroluminescentes, entre autres.

Les méthodes modernes de production du matériau abrasif consistent à mélanger du sable siliceux avec du coke en poudre dans un four à résistance électrique en briques et à faire passer un courant électrique à travers l'électrode de carbone pour faire réagir chimiquement le sable siliceux et produire du carbure.

La matière première doit d'abord être broyée pour éliminer les marques de couteau causées par le tranchage et pour réduire la rugosité de la surface, puis elle doit être finement broyée pour uniformiser sa texture. Un adjuvant de frittage est ensuite ajouté et fritté sous pression dans une atmosphère contenant soit de l'argon, soit de l'azote ; la conductivité électrique des matériaux frittés dépend de leur composition et de leur concentration au cours de cette étape du processus de frittage.