Structure chimique, propriétés et utilisations du carbure de silicium

Le carbure de silicium c'est un solide covalent formé par le carbone et le silicium. Il a une grande dureté avec une valeur de 9,0 à 10 sur l’échelle de Mohs et sa formule chimique est SiC, ce qui peut suggérer que le carbone est attaché au silicium par une triple liaison covalente, avec une charge positive (+ ) dans le Si et une charge négative (-) dans le carbone (⁺Si≡C^-).

En fait, les liens dans ce composé sont totalement différents. Il a été découvert en 1824 par le chimiste suédois Jön Jacob Berzelius, en essayant de synthétiser des diamants. En 1893, le scientifique français Henry Moissani a découvert un minéral dont la composition contenait du carbure de silicium.

Cette découverte a été faite en examinant des échantillons de roche prélevés dans un cratère de météorite à Devil Canyon, aux États-Unis. UU Il a nommé ce minéral comme moissanite. Par contre, Edward Goodrich Acheson (1894) a créé une méthode de synthèse du carbure de silicium en faisant réagir du sable ou du quartz de haute pureté avec du coke de pétrole.

Goodrich a nommé carborundum (ou carborundium) sur le produit obtenu et fondé une entreprise de production d'abrasifs.

Index

• 1 structure chimique
• 2 propriétés
  • 2.1 Propriétés générales
  • 2.2 Propriétés thermiques
  • 2.3 Propriétés mécaniques
  • 2.4 Propriétés électriques
• 3 utilisations
  • 3.1 Comme abrasif
  • 3.2 Sous forme de céramique structurée
  • 3.3 Autres utilisations
• 4 références

Structure chimique

L'image supérieure illustre la structure cubique et cristalline du carbure de silicium. Cet arrangement est le même que celui du diamant, malgré les différences de rayons atomiques entre le C et le Si.

Toutes les liaisons sont fortement covalentes et directionnelles, contrairement aux solides ioniques et à leurs interactions électrostatiques.

SiC forme des tétraèdres moléculaires; c'est-à-dire que tous les atomes sont liés à quatre autres. Ces unités tétraédriques sont réunies par des liaisons covalentes, adoptant des structures cristallines en couches.

En outre, ces couches ont leurs propres arrangements de cristal, qui sont de trois types: A, B et C.

C'est-à-dire qu'une couche A est différente de B, et que cette dernière est à C. Ainsi, le cristal de SiC consiste en l'empilement d'une séquence de couches, se présentant sous le nom de politipisme.

Par exemple, le polytype cubique (similaire à celui du diamant) consiste en un empilement de couches ABC et présente donc une structure cristalline 3C.

D'autres piles de ces couches génèrent également d'autres structures parmi ces polytypes rhomboédriques et hexagonaux. En fait, les structures cristallines du SiC finissent par être un "trouble cristallin".

La structure hexagonale la plus simple pour le SiC, le 2H (image du haut), est formée à la suite de l'empilement des couches avec la séquence ABABA ... Après chaque deux couches, la séquence est répétée, et c'est de là que vient le nombre 2 .

Propriétés

Propriétés générales

Masse molaire

40.11 g / mol

Apparence

Varie selon la méthode d'obtention et les matériaux utilisés. Il peut s'agir de cristaux jaunes, verts, bleu noir ou irisés.

Densité

3,16 g / cm3

Point de fusion

2830 ºC.

Indice de réfraction

2,55.

Cristaux

Il existe un polymorphisme: cristaux hexagonaux αSiC et cristaux cubiques βSiC.

Dureté

9 à 10 sur l'échelle de Mohs.

Résistance aux agents chimiques

Il résiste à l'action des acides et des alcalis forts. En outre, le carbure de silicium est chimiquement inerte.

Propriétés thermiques

- Conductivité thermique élevée.

- Il supporte de bonnes températures.

- Conductivité thermique élevée.

- Coefficient de dilatation thermique linéaire faible, il supporte donc des températures élevées avec une faible expansion.

- Résistant aux chocs thermiques.

Propriétés mécaniques

- Haute résistance à la compression.

- Résistant à l'abrasion et à la corrosion.

- C'est un matériau léger d'une grande force et résistance.

- Maintient sa résistance élastique à haute température.

Propriétés électrique

C'est un semi-conducteur qui peut remplir ses fonctions à des températures élevées et à des tensions extrêmes, avec une faible dissipation de sa puissance dans le champ électrique.

Utilise

Comme un abrasif

- Le carbure de silicium est un semi-conducteur capable de résister à des températures élevées, à des tensions élevées ou à des gradients de champ électrique 8 fois plus élevés que ce que le silicium peut supporter. C'est pourquoi il est utile dans la construction de diodes, de transitoires, de suppresseurs et de dispositifs hyperfréquences à haute énergie.

- Avec le composé, des diodes électroluminescentes (LED) et les détecteurs des premières radios (1907) sont fabriqués. Actuellement, le carbure de silicium a été remplacé dans la fabrication des ampoules LED par du nitrure de gallium qui émet une lumière 10 à 100 fois plus brillante.

- Dans les systèmes électriques, le carbure de silicium est utilisé comme paratonnerre dans les systèmes d'alimentation électrique, car ils peuvent réguler leur résistance en régulant la tension qui le traverse.

Sous forme de céramique structurée

- Dans un procédé connu sous le nom de frittage, les particules de carbure de silicium - ainsi que celles des compagnons - sont chauffées à une température inférieure à la température de fusion de ce mélange. Ainsi, la résistance et la résistance de l’objet en céramique augmentent grâce à la formation de liaisons solides entre les particules.

- Les céramiques structurelles de carbure de silicium ont eu de nombreuses utilisations. Ils sont utilisés dans les freins à disque et dans les embrayages des véhicules à moteur, dans les filtres à particules présents dans le diesel et comme additif dans les huiles pour réduire la friction.

- Les utilisations des céramiques structurales en carbure de silicium se sont largement répandues dans les pièces exposées à des températures élevées. C'est par exemple le cas de la gorge des injecteurs de fusée et des rouleaux des fours.

- La combinaison de la conductivité thermique élevée, de la dureté et de la stabilité à haute température rend les composants des tubes de l'échangeur de chaleur avec du carbure de silicium.

- Les céramiques structurelles sont utilisées dans les injecteurs de sablage, les joints d'étanchéité des pompes à eau, les roulements et les filières d'extrusion. Il constitue également le matériau des creusets utilisés dans la fusion des métaux.

- Il fait partie des éléments chauffants utilisés dans la fusion du verre et des métaux non ferreux, ainsi que dans le traitement thermique des métaux.

Autres utilisations

- Peut être utilisé pour mesurer la température du gaz. Dans une technique connue sous le nom de pyrométrie, un filament de carbure de silicium est chauffé et émet un rayonnement qui se corrèle avec la température dans une plage de 800-2500 ° K.

- Il est utilisé dans les centrales nucléaires pour éviter les fuites de matière produites par la fission.

- Dans la production d'acier, il est utilisé comme combustible.

Références

1. Nicholas G. Wright, Alton B. Horsfall. Carbure de silicium: Le retour d'un vieil ami. Material Matters Volume 4 Article 2. Récupéré le 5 mai 2018 de: sigmaaldrich.com
2. John Faithfull (Février 2010). Cristaux de carborundum. Extrait le 5 mai 2018 de: commons.wikimedia.org
3. Charles et Colvard. Polytypisme et Moissanite. Récupéré le 05 mai 2018, de: moissaniteitalia.com
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5. Wikipedia. (2018). Carbure de silicium. Récupéré le 5 mai 2018 de: en.wikipedia.org
6. Navarro SiC. (2018). Le carbure de silicium. Récupéré le 05 mai 2018 de: navarrosic.com
7. Université de Barcelone. Carbure de silicium, SiC. Récupéré le 05 mai 2018 de: ub.edu
8. CarboSystem. (2018). Carbure de silicium. Récupéré le 05 mai 2018 de: carbosystem.com