Méthodes de fabrication du carbure de silicium

Le carbure de silicium est utilisé dans diverses applications en raison de ses excellentes propriétés de résistance aux hautes températures et à la corrosion. Ce matériau peut être transformé en divers produits tels que des abrasifs, des abrasifs enduits, des meules, des outils de rodage, des feuilles isolantes de rodage, et trouve même des applications dans les domaines de la métallurgie et des matériaux réfractaires.

Le carbure de silicium est le plus souvent produit selon le procédé d'Acheson. Ce procédé consiste à chauffer à haute température un mélange de sable siliceux et de carbone dans du coke jusqu'à ce que des réactions chimiques se produisent, donnant naissance à des cristaux de carbure de silicium pur.

Processus d'Acheson

Le procédé Acheson est largement utilisé à des fins commerciales pour la production de carbure de silicium. Ce procédé à haute énergie consiste à mélanger de la silice avec du coke de pétrole, puis à chauffer le mélange à haute température avant de le transférer dans un four électrique pour traitement. Un modèle de transfert de masse a été élaboré afin de mieux comprendre ce procédé complexe, et les résultats ont montré que la formation du carbure de silicium était principalement régie par des réactions solide-gaz plutôt que par des réactions en phase liquide, comme on le croyait auparavant.

Comme lors d'un fonctionnement normal du four Acheson, le mélange est introduit dans le four avec une résistance en carbone ou en graphite 14, composée de coke et de sable réfractaire récupérés lors de cycles précédents et utilisés comme résistance Acheson 14. Une tension électrique est appliquée à cette résistance afin de créer une haute tension au sein de la masse réactionnelle, tandis que les températures sont surveillées à travers et à proximité des plaques de graphite placées le long des parois du four.

La fabrication du carbure de silicium (SiC), un procédé très gourmand en énergie, a récemment connu une véritable révolution grâce à deux procédés qui s'appuient sur cette technique : les procédés d'Acheson et de Lely. Alors que le procédé d'Acheson permet d'obtenir des cristaux de SiC à gros grains par sublimation, celui de Lely permet de synthétiser un matériau cristallin aux grains plus fins.

Processus de Lely

Le procédé Lely est une méthode alternative utilisée dans la fabrication du carbure de silicium, qui consiste à utiliser un mélange chimique confiné dans un environnement sous vide pour permettre la réaction des composants avant leur dépôt sur un substrat. Ce procédé nécessite d'énormes quantités d'énergie, d'équipements et d'expertise – sans parler du temps – et ne peut être mis en œuvre qu'avec une grande précision.

Les fabricants utilisent le procédé Lely modifié pour produire de grands monocristaux de SiC destinés à la fabrication de composants électroniques, qu’ils utilisent comme matière première pour les dispositifs à montage en surface renforcés (HMD). Ces matériaux doivent être durs, résistants et conducteurs d’électricité – des qualités que le SiC est capable de remplir grâce à sa structure cristalline. De plus, le SiC présente également des propriétés uniques que l'on ne retrouve nulle part ailleurs, telles qu'une dureté inégalée et une résistance chimique exceptionnelle face aux alcalis et aux acides.

Une adaptation courante de la méthode Lely consiste à utiliser un creuset en graphite équipé de bobines à induction pour le chauffage. Une fois chauffé, ce récipient est recouvert d'une fine couche de carbure de silicium afin d'empêcher les impuretés de s'échapper de l'espace de sublimation ; les cristaux peuvent alors être utilisés pour former des lingots, qui sont ensuite triés avec précision et traités ultérieurement en vue de différentes applications.

L'exemple 1 décrit un procédé dans lequel des lingots sont exposés à des flux de gaz contenant de l'azote afin d'obtenir des produits présentant une conductivité n élevée, ce qui permet de fabriquer des composants capables de fonctionner dans des conditions extrêmes, telles que celles requises dans les moteurs à réaction et les tuyères de fusée.

Liaison par réaction

Le liage par réaction est l'une des plus anciennes méthodes de fabrication de céramiques en carbure de silicium. Cette technique consiste à mélanger du carbure de silicium à gros grains, de l'argile, des plastifiants et d'autres matériaux pour obtenir une pâte malléable qui peut ensuite être chauffée afin de faire fusionner ses composants, avant d'être durcie en un solide par refroidissement. Le liage par réaction a été l'un des tout premiers procédés de production de carbure de silicium.

Ce procédé facilite la production de silice liée par réaction, qui présente une résistance à l'usure supérieure et une ténacité à la rupture plus élevée que les autres formes de carbure de silicium. De plus, sa conductivité thermique et sa faible dilatation thermique en font un matériau adapté à une utilisation dans des composants électriques tels que les transistors de puissance et les diodes.

Des scientifiques ont mis au point un nouveau procédé de fabrication visant à améliorer les performances de la silice liée par réaction, en la liant à des températures plus basses. Cela permet de réduire la quantité de silicium libre présent, susceptible de provoquer l'érosion et l'usure des matériaux, et d'augmenter ainsi les taux d'usure.

Le carbure de silicium lié par réaction (RBSC) trouve de nombreuses applications en raison de sa résistance à la chaleur, à l'usure et à la corrosion. Il est largement utilisé dans les accessoires de four grâce à son excellente résistance aux chocs thermiques ; il peut en outre être transformé en composants céramiques destinés à des applications à haute température, tels que des joints d'étanchéité ou des aubes ; enfin, son point de fusion élevé en fait un matériau idéal pour les expériences de fusion réalisées à l'aide de creusets.

Céramique

La céramique en carbure de silicium frittée en phase solide est l'une des céramiques fines les plus dures et les plus résistantes ; elle conserve sa résistance jusqu'à 1 400 °C sans perte de résistance ni dilatation ou contraction significative. Elle est donc idéale pour les applications résistantes à la chaleur telles que les buses de brûleurs, les tubes à jet et les tubes de flamme utilisés dans les équipements de traitement chimique, ainsi que pour les composants de machines industrielles en général. De plus, sa résistance à la corrosion, à l’abrasion et à l’usure, associée à une faible dilatation et à des propriétés semi-conductrices, en fait un matériau particulièrement adapté aux applications réfractaires, telles que les buses de brûleurs et les tubes à jet utilisés dans les équipements de traitement chimique, ainsi qu’aux composants de machines industrielles générales utilisés dans l’ensemble du parc de machines.

Le SiC est largement reconnu pour sa grande dureté et sa stabilité chimique, ce qui en fait une excellente matière première pour la fabrication d'abrasifs. Le SiC sert de matériau de base pour les abrasifs enrobés et non enrobés utilisés sur le verre, la céramique, la pierre, la fonte, les métaux non ferreux ainsi que des métaux comme l'aluminium. Le SiC est également utilisé dans les matériaux réfractaires, notamment les plaques de protection utilisées dans les fours de cuisson des produits céramiques, les revêtements de four enduits de silice et les creusets utilisés avec les cellules d'électrolyse de l'aluminium.

Le liage par réaction est une autre méthode de fabrication des céramiques en carbure de silicium utilisées dans des secteurs tels que les abrasifs, la métallurgie et les réfractaires. Un mélange de sable grossier, de poudre de silicium et de plastifiants est chauffé dans un four à résistance électrique jusqu’à ce que le carbone issu du coke réagisse avec la silice pour former du carbure de silicium et du monoxyde de carbone gazeux ; cela permet de lui donner les formes souhaitées ou de le compacter en poudre en vue d’une utilisation ultérieure.

Grâce à sa haute densité et à sa résistance à la compression, la protection balistique en polycarbonate offre une meilleure résistance balistique par rapport à son poids que les solutions en acier ou en aluminium.