Qu'est-ce que le carbure de silicium ?

Le carbure de silicium (également appelé carborundum) est un matériau céramique de pointe. Bien qu'il existe à l'état naturel sous la forme d'un minéral extrêmement rare, la moissanite, la majeure partie de la production de carbure de silicium (carborundum) se présente sous forme de poudre ou de grains pouvant être agglomérés pour former des structures céramiques résistantes et durables.

Le SiC est produit dans un four à résistance électrique par fusion de matières premières telles que le sable de quartz et des sources de carbone comme le coke de pétrole, ce qui donne lieu à une réaction électrochimique produisant des cristaux de couleur verte et noire.

Composition chimique

Le carbure de silicium (SiC) est un composé cristallin synthétique extrêmement dur, composé de silicium et de carbone, dont la formule chimique est SiC. Produit pour la première fois à des fins commerciales en 1893 pour servir d'abrasif de meulage et de découpe, le SiC est aujourd'hui l'un des matériaux naturels et artificiels les plus durs qui soient, doté d'une excellente résistance à l'usure, d'une inertie chimique vis-à-vis des acides et des alcalis, de propriétés thermiques remarquables ainsi que d'excellentes propriétés de résistance à l'usure.

Henri Moissan, en France, et Edward G. Acheson, aux États-Unis, ont découvert le carborundum indépendamment l'un de l'autre à peu près à la même époque ; ils ont mis au point des procédés permettant de le fabriquer à partir de sable siliceux et de coke de charbon, et lui ont donné son nom commercial : Carborundum.

Les méthodes modernes de production de carbure de silicium utilisées dans les industries des abrasifs, de la métallurgie et des réfractaires s'inspirent de la technique originale d'Acheson pour la fabrication de lingots de carbure de silicium destinés à diverses applications industrielles. Un mélange de sable de silice brut et de coke finement broyé est introduit dans un four à résistance électrique, à proximité d'un conducteur en graphite, où il est soumis à un courant électrique ; ce qui provoque une réaction chimique produisant du carbure de silicium ainsi que du dioxyde de carbone gazeux, ce qui donne un lingot qui doit ensuite être découpé en sections et trié en fonction de la taille des grains avant d'être traité par découpe, puis trié à nouveau une fois refroidi, avant d'être découpé pour une utilisation ultérieure ou une réutilisation dans un autre four de production de lingots.

La chimie et la cristallographie jouent un rôle essentiel dans la définition de la qualité et des applications des grains et des poudres finis. La taille des grains varie généralement entre un micromètre et plusieurs millimètres ; les méthodes de production vont de la liaison auto-adhésive (utilisant des formes Si+C pour assembler les grains entre eux) à la liaison au silicium pour les applications à haute température ou les utilisations céramiques et métallurgiques.

Propriétés physiques

Le carbure de silicium (SiC) est une substance insoluble dans l'eau, l'alcool et les acides. Plus dense que les matériaux céramiques mais plus léger que de nombreux métaux, sa couleur et son aspect varient en fonction de son degré de pureté.

La moissanite est un minéral présent à l'état naturel en petites quantités dans le sol ; cependant, la majeure partie du graphite produit aujourd'hui est synthétique et obtenue par broyage de carbone et de sable siliceux dans un four à graphite de type Acheson, à des températures élevées atteignant 2 550 °C (4 530 °F).

Le carbure de silicium brut se distingue de ses homologues par sa dureté (dureté de Mohs > 9), ce qui en fait l'un des matériaux réfractaires les plus durs, doté d'excellentes propriétés de résistance à l'usure. De plus, il est chimiquement inerte face aux alcalis et aux acides, à l’exception de l’acide fluorhydrique, et présente des intensités de champ électrique de claquage très élevées ainsi que de bonnes propriétés de conductivité thermique.

L’une des principales caractéristiques du SiC est sa résistance à l’oxydation, qui lui permet de fonctionner dans des environnements difficiles. Le SiC présente l’un des taux d’oxydation les plus faibles parmi tous les carbures métalliques et même parmi la plupart des oxydes réfractaires ; de plus, c’est un semi-conducteur à large bande interdite, ce qui signifie que les électrons ont besoin de moins d’énergie pour passer de la bande de conduction à la bande de valence ; cette caractéristique permet au SiC de fonctionner à des tensions et des fréquences de commutation plus élevées.

Propriétés mécaniques

Le carbure de silicium est un matériau exceptionnel pour les applications mécaniques en raison de sa résistance et de sa durabilité exceptionnelles. Il présente une grande ténacité à la rupture – qui mesure la résistance à la propagation des fissures –, ainsi qu'un module de Young et une résistance à la flexion élevés, tout en affichant une faible dilatation thermique à des températures pouvant atteindre 1 600 °C.

Les procédés de fusion utilisés pour produire du carbure de silicium brut permettent d'obtenir un lingot qui peut être moulé sous différentes formes à l'aide de techniques de moulage dites « moulage réfractaire » ou « revêtement réfractaire », telles que le graphite, afin de le protéger pendant la réaction de fusion et de le préserver de l'exposition à la chaleur au cours de ces réactions. La coulée réfractaire trouve de nombreuses applications, notamment dans les revêtements de fours industriels, les pièces résistantes à l’usure pour les pompes et les substrats semi-conducteurs pour les diodes électroluminescentes (LED).

Le carbure de silicium se distingue des autres matériaux céramiques par le fait qu’il est produit dans une grande variété de tailles de grains et de compositions, ce qui permet à ses fabricants d’obtenir plus facilement les propriétés mécaniques souhaitées. La qualité d’un produit fini dépend de facteurs tels que le rapport entre la teneur en Si et celle en C, les procédés de broyage et de calibrage, ainsi que le type de procédé de frittage utilisé ; Washington Mills utilise divers équipements de concassage, de broyage et de criblage afin de produire des grains et des poudres de carbure de silicium bruts spécialement adaptés aux exigences de ses clients.

La structure atomique du carbure de silicium est constituée de pyramides à quatre faces formées d’atomes de silicium et de carbone liés entre eux par de solides liaisons covalentes au sein de son réseau cristallin, ce qui lui confère des propriétés exceptionnelles dans divers environnements. Par exemple, il ne subit aucune attaque de la part des alcalis ou des sels basiques jusqu’à 800 °C et résiste à l’oxydation interne à des températures plus élevées.

Applications

Le carbure de silicium a de nombreuses applications. On le retrouve dans des domaines aussi variés que les abrasifs, les réfractaires de pointe et les matières premières métallurgiques, grâce à sa solidité, sa résistance à l'usure, sa tolérance aux hautes températures et son faible coefficient de dilatation thermique. De plus, le carbure de silicium peut même servir de support de catalyseur en raison de son interaction avec l'oxygène et les composés alcalins.

Edward Acheson, de la société Carborundum, filiale d’Edison, a mis au point la méthode la plus répandue pour produire du carbure de silicium brut : son procédé de fusion. Cette méthode de production consiste à placer du sable siliceux et des particules de carbone dans un four électrique à résistance en graphite, dans lequel un courant électrique circule à travers des conducteurs en carbone, avant de chauffer le tout à 2 200 degrés Celsius pour obtenir des lingots de carbure de silicium.

Washington Mills utilise le procédé traditionnel d'Acheson pour fabriquer du carbure de silicium fondu brut destiné aux industries des abrasifs, de la métallurgie et des réfractaires de pointe. Nos équipements de concassage, de broyage et de tamisage garantissent que la granulométrie des particules respecte les spécifications du procédé, permettant ainsi d’obtenir des granulométries standard FEPA/ANSI ainsi que des gammes de granulométrie sur mesure avec des densités et des compositions chimiques personnalisées – et surtout, nous proposons des granulométries standard issues de ces gammes, conformes aux dimensions FEPA et ANSI !

Le carbure de silicium brut, plus communément appelé « moissanite », présente des qualités abrasives exceptionnelles et peut être utilisé pour fabriquer des outils de coupe, des meules et des plaquettes en carbure de tungstène. De plus, grâce à son excellente résistance à la température et à la corrosion, il constitue un excellent matériau réfractaire dans la production d'acier ; et grâce à son faible coefficient de dilatation, il présente des propriétés d'isolation ainsi que de conductivité électrique – des caractéristiques idéales pour la fabrication de ces outils ou inserts.