CARBURE DE SILICIUM

No CAS : 409-21-2
N° RTECS : VW0450000
Poids moléculaire 40,1
Numéro de la Communauté européenne (CE) : 206-991-8

Le carbure de silicium (SiC), également appelé carborundum, est un semi-conducteur contenant du silicium et du carbone.
Le carbure de silicium est présent dans la nature sous la forme de la moissanite minérale extrêmement rare.
La poudre de SiC synthétique est produite en masse depuis 1893 pour être utilisée comme abrasif.
Les grains de carbure de silicium peuvent être liés par frittage pour former des céramiques très dures qui sont largement utilisées dans les applications nécessitant une grande endurance, telles que les freins de voiture, les embrayages de voiture et les plaques de céramique dans les gilets pare-balles.
De grands monocristaux de carbure de silicium peuvent être cultivés par la méthode Lely et ils peuvent être coupés en pierres précieuses connues sous le nom de moissanite synthétique.
Les applications électroniques du carbure de silicium telles que les diodes électroluminescentes (LED) et les détecteurs des premières radios ont été démontrées pour la première fois vers 1907.
Le SiC est utilisé dans les dispositifs électroniques à semi-conducteurs qui fonctionnent à des températures élevées ou à des tensions élevées, ou les deux.

DÉFINITION

Le carbure de silicium (SiC) est l'une des céramiques techniques les plus dures disponibles.
Pendant de nombreuses années, le carbure de silicium était le deuxième après le diamant sur l'échelle de Mohs, et à ce jour, le carbure de silicium fritté reste à la fois un matériau compétitif et complémentaire pour les diamants synthétiques abrasifs.
Combinées à la conductivité thermique élevée des carbures de silicium et à de superbes propriétés de résistance à la corrosion, les céramiques au carbure de silicium sont des matériaux de pointe pour les domaines d'application difficiles.

Carbure de silicium, extrêmement dur, composé cristallin synthétique de silicium et de carbone.
La formule chimique des carbures de silicium est SiC.
Depuis la fin du XIXe siècle, le carbure de silicium est un matériau important pour les papiers de verre, les meules et les outils de coupe.
Plus récemment, le carbure de silicium a trouvé une application dans les revêtements réfractaires et les éléments chauffants des fours industriels, dans les pièces résistantes à l'usure des pompes et des moteurs de fusée et dans les substrats semi-conducteurs des diodes électroluminescentes.

Le carbure de silicium est un solide cristallin minéral industriel.
Le carborundum est utilisé comme semi-conducteur et comme céramique, communément appelé carborundum.
Le SiC existe naturellement dans un minéral extrêmement rare appelé moissanite.
Les carbures de silicium purs apparaissent sous forme de cristaux incolores et transparents.
Lorsque des impuretés sont ajoutées telles que l'azote ou l'aluminium, les cristaux de carbure de silicium apparaissent verts ou bleus selon le niveau d'impureté.
Le carborundum est principalement utilisé pour la dureté et la résistance des carborundums, bien que les propriétés combinées de la céramique et des semi-conducteurs des carborundums rendent le SiC excellent dans la fabrication de dispositifs rapides, à haute tension et à haute température.

Le carbure de silicium est une céramique non oxyde importante qui a diverses applications industrielles.
En fait, le CARBORUNDUM possède des propriétés exclusives telles qu'une dureté et une résistance élevées, une stabilité chimique et thermique, un point de fusion élevé, une résistance à l'oxydation, une résistance élevée à l'érosion, etc.
Toutes ces qualités font du SiC un candidat idéal pour les appareils électroniques haute puissance et haute température ainsi que pour les applications d'abrasion et de coupe.
De nombreux travaux ont été rapportés sur la synthèse du SiC depuis le procédé de fabrication initié par Acheson en 1892.
Dans ce chapitre, un bref résumé est donné pour les différentes structures cristallines de SiC et les polytypes les plus couramment rencontrés seront cités.
Nous nous intéressons ensuite aux différentes voies de fabrication du SiC à partir du procédé Acheson traditionnel qui a conduit en grande partie à la commercialisation du carbure de silicium.
Ce procédé est basé sur une méthode classique de réduction carbothermique pour la synthèse de poudres de SiC.
Néanmoins, ce procédé comporte de nombreuses étapes, est trop gourmand en énergie et fournit des matériaux d'assez mauvaise qualité.
Plusieurs méthodes alternatives ont été précédemment rapportées pour la production de SiC. Un aperçu des méthodes les plus couramment utilisées pour l'élaboration de SiC telles que le dépôt physique en phase vapeur (PVT), le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le sol-gel, le frittage en phase liquide (LPS) ou l'alliage mécanique (MA) sera détaillé.
Les propriétés mécaniques, structurales et électriques résultantes du SiC fabriqué seront discutées en fonction des méthodes de synthèse.

Le carbure de silicium (SiC), un composé semi-conducteur composé de silicium (Si) et de carbone (C), appartient à la famille des matériaux à large bande interdite (WBG).
La liaison physique des carborundums est très forte, conférant au semi-conducteur une grande stabilité mécanique, chimique et thermique.
La large bande interdite et la stabilité thermique élevée permettent d'utiliser les dispositifs SiC à des températures de jonction supérieures à celles du silicium, même supérieures à 200°C.
Le principal avantage offert par le carbure de silicium dans les applications de puissance est la faible résistance de région de dérive du CARBORUNDUM, qui est un facteur clé pour les dispositifs de puissance à haute tension.
Les dispositifs de puissance à base de SiC entraînent une transformation radicale de l'électronique de puissance, grâce à une combinaison d'excellentes propriétés physiques et électroniques.
Bien que le matériau soit connu depuis longtemps, l'utilisation des CARBORUNDUM comme semi-conducteur est relativement récente, en grande partie en raison de la disponibilité de plaquettes de grande taille et de haute qualité.
Au cours des dernières décennies, les efforts se sont concentrés sur le développement de processus de croissance cristalline à haute température spécifiques et uniques.
Bien que le SiC soit disponible avec différentes structures cristallines polymorphes (également appelées polytypes), la structure cristalline hexagonale polytype 4H-SiC est la plus adaptée aux applications à haute puissance.

Présente une dureté extrêmement élevée
Offre une résistance élevée à l'usure et aux produits chimiques.
Performance tribologique sous forte charge, notamment pression, vitesse de glissement, température.
Fournit une résistance à la corrosion.
Les matériaux en carbure de silicium sont utilisés dans une grande variété d'industries et d'applications telles que les composants d'étanchéité, les buses de sablage, les paliers lisses et les réacteurs à flux.
Le carbure de silicium est un matériau efficace pour les applications dans lesquelles la résistance à l'usure et à la corrosion sont des préoccupations essentielles.

Chez International Syalons, nous proposons des céramiques en carbure de silicium hautes performances via le collage par réaction et le frittage.
Chaque technique de fabrication donne une céramique de précision à porosité nulle avec une résistance exceptionnelle aux attaques chimiques et de bonnes propriétés à haute température.
Ceux-ci résultent d'une structure atomique robuste avec du carbone et du silicium formant un réseau tétraédrique solide.
Les avantages de ceci incluent:
Dureté inégalée (2600 Kg/mm2)
Conductivité thermique supérieure (150 W/(mK))
Résistance modérée aux chocs thermiques (ΔT = 400°C)
Bonne résistance à la flexion à haute température (450 MPa à 1000°C)
Le carbure de silicium fritté est conçu par des moyens conventionnels, en utilisant des auxiliaires de frittage sans oxyde et un processus de formage à haute température dans des atmosphères inertes.
La liaison par réaction diffère en ce que du silicium supplémentaire est fabriqué pour infiltrer le corps vert pour former des grains de SiC supplémentaires qui se lient à la céramique primaire.
Ce dernier est généralement utilisé pour augmenter la résistance aux chocs thermiques.

Explorez nos produits Carborundum ci-dessous où vous trouverez des spécifications complètes et un tableau détaillant les comportements complets dans les acides et les alcalis.
Si vous souhaitez en savoir plus sur des composants SiC spécifiques ou sur les industries que nous servons, il vous suffit de contacter un membre de l'équipe International Syalons dès aujourd'hui.

Le carbure de silicium artificiel (SiC) est inclus dans cette base de données car des échantillons de Carborundum sont fréquemment vendus dans les "rock shops" et sur les ventes aux enchères sur Internet, parfois sous le nom de "carborundum", parfois sous le nom de "moissanite" (il existe un très rare carbure de silicium naturel minéral avec le nom moissanite), mais le plus souvent sans nom du tout.
Le carborundum est facilement reconnaissable par la couleur bleu-noir foncé des CARBURES DE SILICIUM, l'éclat de l'arc-en-ciel (comme les couleurs que vous voyez sur l'eau huileuse) et l'extrême dureté, le carborundum rayera facilement le verre et tous les minéraux courants à l'exception du diamant.
Le carborundum se forme dans les hauts fourneaux lors de la production de fer.
Le SiC est également une céramique haute performance importante.

Composé d'une couche ultra-mince de carbure de silicium (SiC) polytype cristallin 3C dans un cadre en silicium, et disponible dans une large gamme de tailles de fenêtre et d'épaisseurs de membrane. Ces membranes ont des caractéristiques de transmission supérieures dans la plage de longueurs d'onde de 10 à 20 nm et une transmission supérieure dans la plage de 1 à 3 nm, par rapport aux fenêtres traditionnelles en nitrure de silicium. Les données de transmission simulées sont présentées ci-dessous (base de données LBNL CXRO X-Ray). Le SiC a une conductivité thermique quatre fois supérieure à celle du nitrure de silicium généralement utilisé comme matériau de membrane. Ces membranes sont donc avantageuses pour les applications où un chauffage uniforme de la surface de la membrane est requis. Le SiC est un semi-conducteur à large bande interdite, et est donc électriquement conducteur à température ambiante, avec une résistivité comprise entre 10 et 1000 Ωcm.

Disponible dans un cadre de 381 μm d'épaisseur, avec des tailles de cadre de 5 mm, 7,5 mm et 10 mm (autres tailles disponibles sur demande) et avec des épaisseurs de membrane SiC de 30 nm à 200 nm.
Des revêtements en couches minces peuvent être fournis sur demande (Zr, Fe, Ni, SiO2, Al, Au, Cr, Ti, veuillez vous renseigner pour notre gamme complète de matériaux).

Le carbure de silicium est un minéral fabriqué par l'homme d'une dureté et d'une netteté extrêmes.
Le carbure de silicium est l'abrasif idéal pour le meulage/ponçage de matériaux à faible résistance à la traction tels que la fonte, le laiton, l'aluminium, le bronze, etc.
Les propriétés thermiques des carbures de silicium font du CARBURE DE SILICIUM un excellent support pour une utilisation dans la fabrication de produits réfractaires et de creusets.
Le carbure de silicium est produit par un processus impliquant la réaction électrochimique de la silice - sous forme de quartz avec du carbone sous forme de coke de pétrole brut.
Le mélange stoechiométrique est mis à réagir dans un four à résistance électrique à une température supérieure à 2200°C pour donner des cristaux de haute qualité.
Les gros cristaux sont ensuite séparés, broyés, nettoyés des impuretés magnétiques dans des séparateurs magnétiques à haute intensité et classés en fractions de taille étroite en fonction de l'utilisation finale.
Des lignes dédiées produisent des CARBURES DE SILICIUM pour différentes applications.
Les grains de carbure de silicium sont également utilisés dans le polissage du marbre et du granit, la fabrication de meubles de four et comme désoxydant dans la fabrication du fer et de l'acier.

Le carbure de silicium est le seul composé chimique de carbone et de silicium.
Le carbure de silicium a été produit à l'origine par une réaction électrochimique à haute température de sable et de carbone.
Le carbure de silicium est un excellent abrasif et est produit et transformé en meules et autres produits abrasifs depuis plus de cent ans.
Aujourd'hui, le matériau a été développé en une céramique de qualité technique de haute qualité avec de très bonnes propriétés mécaniques.
Le carbure de silicium est utilisé dans les abrasifs, les réfractaires, les céramiques et de nombreuses applications hautes performances.
Le matériau peut également être transformé en conducteur électrique et a des applications dans le chauffage par résistance, les allumeurs de flamme et les composants électroniques.
Les applications structurelles et d'usure sont en constante évolution.

AVANTAGES DU carbure de silicium
Le carbure de silicium est principalement utilisé dans les applications nécessitant une conductivité thermique élevée.
La dureté extrême des carbures de silicium, résultant en une extraordinaire résistance à l'usure, et une excellente résistance chimique sont les qualités distinctives de ce matériau.
Le carbure de silicium est devenu une pierre angulaire irremplaçable de l'ingénierie des procédés chimiques, des procédés de broyage et de la technologie de dispersion.

Tolérance de température la plus élevée
Filière à 200 °C, complexité, coût et taille réduits du système de refroidissement
Moins de commutateurs
Réduction des pertes, amélioration de la taille, du poids et des capacités de puissance
Densité de courant plus élevée
Densité de puissance 2x à taille et poids identiques
Écart de bande d'énergie plus élevé
Plus robuste contre la chaleur, les radiations et les perturbations électromagnétiques.
Technologie de superposition d'alimentation
Profil ultra fin qui permet de gagner 40 % d'espace
2x refroidissement par rapport aux modules filaires

Leader de la technologie SiC
GE est un leader dans le développement de la technologie SiC depuis près de deux décennies.
De la conception des puces et de l'ingénierie des composants à la mise en œuvre complète du système, GE a démontré des performances de pointe dans les dispositifs de puissance, les boîtiers avancés et les applications d'électronique de puissance.
GE a proposé le premier MOSFET de -55 à 200˚C de l'industrie.

Découverte.
Le carbure de silicium a été découvert par l'inventeur américain Edward G. Acheson en 1891.
Tout en essayant de produire des diamants artificiels, Acheson a chauffé un mélange d'argile et de coke en poudre dans un bol en fer, le bol et une lampe à arc au carbone ordinaire servant d'électrodes.
Il a trouvé des cristaux vert vif attachés à l'électrode de carbone et a pensé qu'il avait préparé un nouveau composé de carbone et d'alumine à partir de l'argile.
Il a appelé le nouveau composé Carborundum parce que la forme minérale naturelle de l'alumine s'appelle le corindon.
Constatant que les cristaux se rapprochaient de la dureté du diamant et réalisant immédiatement l'importance de sa découverte, Acheson a déposé une demande de brevet américain.
Son premier carbure de silicium était initialement proposé pour le polissage des pierres précieuses et vendu à un prix comparable à la poussière de diamant naturel.
Le nouveau composé, qui pouvait être obtenu à partir de matières premières bon marché et avec de bons rendements, est rapidement devenu un important abrasif industriel.
À peu près au même moment où Acheson fit sa découverte, Henri Moissan en France produisit un composé similaire à partir d'un mélange de quartz et de carbone ; mais dans une publication de 1903, Moissan attribue la découverte originale à Acheson.
Du carbure de silicium naturel a été trouvé en Arizona dans la météorite Canyon Diablo et porte le nom minéralogique de moissanite.

Fabrication moderne

La méthode moderne de fabrication du carbure de silicium pour les industries des abrasifs, de la métallurgie et des réfractaires est fondamentalement la même que celle développée par Acheson.
Un mélange de sable siliceux pur et de carbone sous forme de coke finement broyé est constitué autour d'un conducteur en carbone à l'intérieur d'un four à résistance électrique en brique.
Le courant électrique traverse le conducteur, provoquant une réaction chimique dans laquelle le carbone du coke et le silicium du sable se combinent pour former du SiC et du monoxyde de carbone.
Un fonctionnement du four peut durer plusieurs jours, au cours desquels les températures varient de 2 200° à 2 700° C (4 000° à 4 900° F) au cœur à environ 1 400° C (2 500° F) sur le bord extérieur.
a consommation d'énergie dépasse 100 000 kilowattheures par cycle.
À la fin de la course, le carbure de silicium se compose d'un noyau de cristaux de SiC verts à noirs tricotés ensemble de manière lâche, entourés de matière première partiellement ou entièrement non convertie.
L'agrégat en morceaux est concassé, broyé et tamisé en différentes tailles adaptées à l'utilisation finale.
Pour des applications spéciales, le carbure de silicium est produit par un certain nombre de procédés avancés.
Le carbure de silicium lié par réaction est produit en mélangeant de la poudre de SiC avec du carbone en poudre et un plastifiant, en donnant au mélange la forme souhaitée, en brûlant le plastifiant, puis en infusant l'objet cuit avec du silicium gazeux ou fondu, qui réagit avec le carbone pour former SiC supplémentaire.
Des couches résistantes à l'usure de SiC peuvent être formées par dépôt chimique en phase vapeur, un processus dans lequel des composés volatils contenant du carbone et du silicium sont mis à réagir à des températures élevées en présence d'hydrogène.
Pour les applications électroniques avancées, de grands monocristaux de SiC peuvent être développés à partir de vapeur ; la boule peut ensuite être découpée en tranches un peu comme le silicium pour la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs.
Pour renforcer les métaux ou d'autres céramiques, les fibres de SiC peuvent être formées de plusieurs manières, y compris le dépôt chimique en phase vapeur et la cuisson de fibres polymères contenant du silicium.

Propriétés et applications.
Jusqu'à l'invention du carbure de bore en 1929, le carbure de silicium était le matériau synthétique le plus dur connu.
Le carbure de silicium a une dureté Mohs de 9, se rapprochant de celle du diamant.
En plus de la dureté, les cristaux de carbure de silicium ont des caractéristiques de rupture qui les rendent extrêmement utiles dans les meules et dans les produits abrasifs en papier et en tissu.
La conductivité thermique élevée des carbures de silicium, ainsi que sa résistance à haute température, sa faible dilatation thermique et sa résistance aux réactions chimiques, rendent le carbure de silicium précieux dans la fabrication de briques à haute température et d'autres réfractaires.
Le carbure de silicium est également classé comme semi-conducteur, ayant une conductivité électrique entre celle des métaux et des matériaux isolants.
Cette propriété, combinée aux propriétés thermiques des CARBURES DE SILICIUM, fait du SiC un substitut prometteur aux semi-conducteurs traditionnels tels que le silicium dans les applications à haute température.

Occurrence naturelle

Monocristal de Moissanite (taille ≈1 mm)
La moissanite naturelle ne se trouve qu'en quantités infimes dans certains types de météorites et dans les gisements de corindon et la kimberlite.
Pratiquement tout le carbure de silicium vendu dans le monde, y compris les bijoux en moissanite, est synthétique.
La moissanite naturelle a été découverte pour la première fois en 1893 en tant que petit composant de la météorite Canyon Diablo en Arizona par le Dr Ferdinand Henri Moissan, d'après qui le matériau a été nommé en 1905.
La découverte par Moissan de SiC naturel a d'abord été contestée car son échantillon pourrait avoir été contaminé par des lames de scie au carbure de silicium qui étaient déjà sur le marché à l'époque.
Bien que rare sur Terre, le carbure de silicium est remarquablement courant dans l'espace.
Le carborundum est une forme courante de poussière d'étoiles trouvée autour des étoiles riches en carbone, et des exemples de cette poussière d'étoiles ont été trouvés en parfait état dans des météorites primitives (non altérées).
Le carbure de silicium trouvé dans l'espace et dans les météorites est presque exclusivement le bêta-polymorphe.
L'analyse des grains de SiC trouvés dans la météorite de Murchison, une météorite de chondrite carbonée, a révélé des rapports isotopiques anormaux de carbone et de silicium, indiquant que ces grains sont originaires de l'extérieur du système solaire.

De nombreux fabricants se lancent dans l'utilisation du SiC dans des applications telles que les véhicules électriques, les systèmes d'énergie solaire et les centres de données.
Ces systèmes axés sur l'efficacité entraînent tous des tensions et des températures élevées.
Nous assistons à une poussée mondiale importante pour mettre en œuvre le SiC plutôt que d'autres matériaux dans le but de réduire les émissions de carbone causées par les inefficacités énergétiques à des tensions plus élevées.
Bien que les technologies de pointe telles que les véhicules électriques et l'énergie solaire soient à l'avant-garde de l'utilisation du SiC, nous prévoyons que d'autres industries traditionnelles suivront bientôt.
Le SiC est devenu populaire dans le secteur automobile en raison de la demande de l'industrie en matière de qualité, de fiabilité et d'efficacité.
Le SiC peut répondre aux exigences de haute tension avec prouesse.
Le carbure de silicium a le potentiel d'augmenter les distances de conduite des véhicules électriques en augmentant l'efficacité globale du système, en particulier dans le système d'onduleur, ce qui augmente la conservation d'énergie globale du véhicule tout en réduisant la taille et le poids résultant des systèmes de gestion de la batterie.
Goldman Sachs prédit même que l'utilisation du carbure de silicium dans les véhicules électriques peut réduire le coût de fabrication et le coût de possession des véhicules électriques de près de 2 000 $ par véhicule.
Le SiC optimise également les processus de charge rapide des véhicules électriques, qui fonctionnent généralement dans la plage des kV, où le CARBURE DE SILICIUM peut réduire la perte globale du système de près de 30 %, augmenter la densité de puissance de 30 % et réduire le nombre de composants de 30 %.
Cette efficacité permettra aux bornes de recharge rapide d'être plus petites, plus rapides et plus rentables.

Dans l'industrie solaire, l'optimisation des onduleurs SiC joue également un rôle important dans l'efficacité et les économies de coûts.
L'utilisation de carbure de silicium dans les onduleurs solaires augmente la fréquence de commutation du système de deux à trois fois celle du silicium standard.
Cette augmentation de la fréquence de commutation permet une réduction du magnétisme du circuit, ce qui se traduit par des économies considérables d'espace et de coût.
En conséquence, les conceptions d'onduleurs à base de carbure de silicium peuvent être près de la moitié de la taille et du poids d'un onduleur à base de silicium.
Un autre facteur qui encourage les fabricants et les ingénieurs solaires à utiliser le SiC plutôt que d'autres matériaux, tels que le nitrure de gallium, est la durabilité et la fiabilité robustes des CARBURES DE SILICIUM.
La fiabilité du carbure de silicium permet aux systèmes solaires d'atteindre la longévité stable dont ils ont besoin pour fonctionner en continu pendant plus d'une décennie.

Production à grande échelle

La production à grande échelle est attribuée à Edward Goodrich Acheson en 1890.
Acheson tentait de préparer des diamants artificiels lorsqu'il a chauffé un mélange d'argile (silicate d'aluminium) et de coke en poudre (carbone) dans un bol en fer.
Il a appelé les cristaux bleus qui formaient le carborundum, croyant que le CARBURE DE SILICIUM était un nouveau composé de carbone et d'aluminium, semblable au corindon.
Moissan a également synthétisé du SiC par plusieurs voies, notamment la dissolution du carbone dans du silicium fondu, la fusion d'un mélange de carbure de calcium et de silice et la réduction de la silice avec du carbone dans un four électrique.
Acheson a breveté la méthode de fabrication de la poudre de carbure de silicium le 28 février 1893.
Acheson a également développé le four électrique discontinu par lequel le SiC est encore fabriqué aujourd'hui et a formé la société Carborundum pour fabriquer du SiC en vrac, initialement destiné à être utilisé comme abrasif.
En 1900, la société s'est installée avec l'Electric Smelting and Aluminium Company lorsqu'une décision d'un juge a donné "la priorité générale" à ses fondateurs "pour la réduction des minerais et autres substances par la méthode incandescente".
Carborundum On dit qu'Acheson essayait de dissoudre le carbone dans du corindon fondu (alumine) et découvrit la présence de cristaux durs bleu-noir qu'il croyait être un composé de carbone et de corindon : d'où le carborundum.
Carborundum peut être qu'il a nommé le matériau "Carborundum" par analogie avec le corindon, qui est une autre substance très dure (9 sur l'échelle de Mohs).
La première utilisation du SiC était comme abrasif.
Viennent ensuite les candidatures électroniques.
Au début du XXe siècle, le carbure de silicium était utilisé comme détecteur dans les premières radios.
En 1907, Henry Joseph Round a produit la première LED en appliquant une tension à un cristal SiC et en observant une émission jaune, verte et orange à la cathode.
L'effet a ensuite été redécouvert par OV Losev en Union soviétique en 1923.

Production

Parce que la moissanite naturelle est extrêmement rare, la plupart du carbure de silicium est synthétique.
Le carbure de silicium est utilisé comme abrasif, ainsi que comme semi-conducteur et simulant de diamant de qualité gemme.
Le procédé le plus simple pour fabriquer du carbure de silicium consiste à combiner du sable de silice et du carbone dans un four à résistance électrique en graphite Acheson à haute température, entre 1 600 ° C (2 910 ° F) et 2 500 ° C (4 530 ° F).
Les particules fines de SiO2 dans la matière végétale (par exemple les balles de riz) peuvent être converties en SiC en chauffant l'excès de carbone de la matière organique.
La fumée de silice, qui est un sous-produit de la production d' alliages de silicium métallique et de ferrosilicium , peut également être convertie en SiC par chauffage avec du graphite à 1 500 ° C (2 730 ° F).
Le matériau formé dans le four Acheson varie en pureté, en fonction de sa distance à la source de chaleur de la résistance en graphite.
Les cristaux incolores, jaune pâle et verts ont la plus grande pureté et se trouvent le plus près de la résistance.
La couleur passe au bleu et au noir à plus grande distance de la résistance, et ces cristaux plus foncés sont moins purs.
L'azote et l'aluminium sont des impuretés courantes et affectent la conductivité électrique du SiC.
Cristaux SiC Lely synthétiques
Le carbure de silicium pur peut être fabriqué par le procédé Lely, dans lequel la poudre de SiC est sublimée en espèces à haute température de silicium, de carbone, de dicarbure de silicium (SiC2) et de carbure de disilicium (Si2C) dans une atmosphère de gaz argon à 2 500 °C et redéposée en monocristaux en forme de flocons, dimensionnés jusqu'à 2 × 2 cm, sur un substrat légèrement plus froid.
Ce processus donne des monocristaux de haute qualité, principalement en phase 6H-SiC (en raison de la température de croissance élevée).
Un procédé Lely modifié impliquant un chauffage par induction dans des creusets en graphite produit des monocristaux encore plus grands de 4 pouces (10 cm) de diamètre, ayant une section 81 fois plus grande que le procédé Lely conventionnel.
Le SiC cubique est généralement cultivé par le procédé plus coûteux de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de silane, d'hydrogène et d'azote.
Des couches de SiC homoépitaxiales et hétéroépitaxiales peuvent être développées en utilisant à la fois des approches en phase gazeuse et liquide.
Pour former du SiC de forme complexe, des polymères précéramiques peuvent être utilisés comme précurseurs qui forment le produit céramique par pyrolyse à des températures comprises entre 1000 et 1100 ° C.
Les matériaux précurseurs pour obtenir du carbure de silicium de cette manière comprennent les polycarbosilanes, le poly(méthylsilyne) et les polysilazanes.
Les matériaux en carbure de silicium obtenus par pyrolyse de polymères précéramiques sont connus sous le nom de céramiques dérivées de polymères ou PDC.
La pyrolyse des polymères précéramiques est le plus souvent réalisée sous atmosphère inerte à des températures relativement basses.
Par rapport au procédé CVD, le procédé de pyrolyse est avantageux car le polymère peut être façonné en diverses formes avant la thermalisation dans la céramique.
Le SiC peut également être transformé en plaquettes en coupant un monocristal soit à l'aide d'une scie à fil diamanté, soit à l'aide d'un laser.
Le SiC est un semi-conducteur utile utilisé dans l'électronique de puissance.

Historiquement, les fabricants utilisent du carbure de silicium dans des environnements à haute température pour des appareils tels que des roulements, des composants de machines de chauffage, des freins de voiture et même des outils d'affûtage de couteaux.
Dans les applications électroniques et semi-conducteurs, les principaux avantages du SiC sont :
- Haute conductivité thermique de 120-270 W/mK
- Faible coefficient de dilatation thermique de 4.0x10^-6/°C
- Densité de courant maximale élevée
Ces trois caractéristiques combinées confèrent au SiC une excellente conductivité électrique, en particulier par rapport au silicium, le cousin le plus populaire du SiC.
Les caractéristiques du matériau SiC rendent le Carborundum très avantageux pour les applications à haute puissance où un courant élevé, des températures élevées et une conductivité thermique élevée sont nécessaires.
Ces dernières années, le SiC est devenu un acteur clé dans l'industrie des semi-conducteurs, alimentant les MOSFET, les diodes Schottky et les modules de puissance pour une utilisation dans des applications à haute puissance et à haut rendement.
Bien que plus coûteux que les MOSFET au silicium, qui sont généralement limités à des tensions de claquage à 900 V, le SiC permet des seuils de tension à près de 10 kV.
Le SiC a également de très faibles pertes de commutation et peut supporter des fréquences de fonctionnement élevées, ce qui lui permet d'atteindre des rendements actuellement imbattables, en particulier dans les applications fonctionnant à plus de 600 volts.
Avec une mise en œuvre appropriée, les dispositifs SiC peuvent réduire les pertes du système convertisseur et onduleur de près de 50 %, la taille de 300 % et le coût global du système de 20 %.
Cette réduction de la taille globale du système confère au SiC la capacité d'être extrêmement utile dans les applications sensibles au poids et à l'espace.

Le carbure de silicium peut être trouvé dans la moissanite minérale, mais le CARBORUNDUM est rarement trouvé dans la nature.
Ainsi, le carborundum est produit synthétiquement par une technique de synthèse appelée la méthode d'Acheson, du nom de l'inventeur du CARBORUNDUM, Edward G. Acheson.
De la silice pure (SiO2) ou du sable de quartz et du coke de pétrole finement broyé (charbon) sont mélangés et chauffés dans un four électrique résistif à une température élevée d'environ 1700 à 2500°C.
Voici ci-dessous la principale réaction chimique aboutissant à la formation de ɑ-SiC :
Le carbure de silicium développe un lingot cylindrique autour du noyau, formant des couches de ɑ-SiC, β-SiC et un matériau n'ayant pas réagi à l'extérieur.
ɑ-SiC est la qualité la plus élevée avec une structure cristalline grossière et β-SiC est la qualité métallurgique.
En fonction de la qualité de la matière première, le SiC peut être produit en vert ou en noir.
Les lingots de SiC sont ensuite triés et traités pour l'application spécifique à laquelle ils sont destinés.
Ils peuvent être broyés, broyés ou traités chimiquement pour obtenir les propriétés requises pour l'utilisation.

Structure et propriétés

Propriétés du carbure de silicium
Structure cristalline robuste
Le carbure de silicium est composé d'éléments légers, le silicium (Si) et le carbone (C).
Le bloc de construction de base des carborundums est un cristal de quatre atomes de carbone formant un tétraèdre, lié de manière covalente à un seul atome de silicium au centre.
Le SiC présente également un polymorphisme car le carborundum existe dans différentes phases et structures cristallines.

Haute dureté
Le carbure de silicium a une dureté Mohs de 9, ce qui fait du CARBORUNDUM le matériau disponible le plus dur après le carbure de bore (9,5) et le diamant (10).
Le carborundum est cette propriété apparente qui fait du SiC un excellent choix de matériau pour les joints mécaniques, les roulements et les outils de coupe.

Résistance aux hautes températures
La résistance du carbure de silicium aux températures élevées et aux chocs thermiques est la propriété qui permet au SiC d'être utilisé dans la fabrication de briques réfractaires et d'autres matériaux réfractaires.
La décomposition du carbure de silicium commence à 2000°C.

Conductivité
Si le SiC est purifié, le comportement des Carborundums manifeste celui d'un isolant électrique. Cependant, en gouvernant les impuretés, les carbures de silicium peuvent présenter les propriétés électriques d'un semi-conducteur.
Par exemple, l'introduction de quantités variables d'aluminium par dopage donnera un semi-conducteur de type p.
Typiquement, un SiC de qualité industrielle a une pureté d'environ 98 à 99,5 %.
Les impuretés courantes sont l'aluminium, le fer, l'oxygène et le carbone libre.

Stabilité chimique
Le carbure de silicium est une substance stable et chimiquement inerte avec une résistance élevée à la corrosion même lorsqu'il est exposé ou bouilli dans des acides (acide chlorhydrique, sulfurique ou fluorhydrique) ou des bases (hydroxydes de sodium concentrés).
On constate que le carborundum réagit dans le chlore, mais seulement à une température de 900°C et plus.
Le carbure de silicium commencera une réaction d'oxydation dans l'air lorsque la température est d'environ 850°C pour former du SiO2.

Plus de 200 polytypes SiC ont été trouvés à ce jour (Pensl, Choyke, 1993).
De nombreux auteurs ont prouvé que ces polytypes dépendaient de l'orientation des graines.
Pendant longtemps, (Stein et al, 1992; Stein, Lanig, 1993) avaient attribué ce phénomène aux différentes énergies de surface des faces Si et C qui influençaient la formation de différents polytypes de noyaux.
Une liste des polytypes les plus courants comprend 3C, 2H, 4H, 6H, 8H, 9R, 10H, 14H, 15R, 19R, 2OH, 21H et 24R, où (C), (H) et (R) sont les trois catégories cristallographiques de base cubiques, hexagonales et rhomboédriques.
Dans la structure cubique de mélange de zinc, étiquetée 3C-SiC ou β-SiC, Si et C occupent des sites ordonnés dans une charpente en diamant.
Dans les polytypes hexagonaux nH-SiC et les polytypes rhomboédriques nR-SiC, généralement appelés α-SiC, les bicouches nSi-C constituées de couches C et Si s'empilent dans la cellule unitaire primitive (Muranaka et al, 2008).
Les polytypes SiC sont différenciés par la séquence d'empilement de chaque bicouche Si-C à liaison tétraédrique.
En fait, les polytypes distincts diffèrent à la fois par les énergies de bande interdite et les propriétés électroniques.
Ainsi, la bande interdite varie avec le polytype de 2,3 eV pour 3C-SiC à plus de 3,0 eV pour 6H-SiC à 3,2 eV pour 4H-SiC.
En raison de sa bande interdite plus petite, le 3C-SiC présente de nombreux avantages par rapport aux autres polytypes, ce qui permet une inversion à une intensité de champ électrique plus faible.
De plus, la mobilité Hall des électrons est isotrope et supérieure à celle des polytypes 4H et 6H- (Polychroniadis et al, 2004).
Le carbure de silicium alpha (α-SiC) est le polymorphe le plus couramment rencontré ; Le CARBORUNDUM est la forme stable à température élevée pouvant atteindre 1700°C et a une structure cristalline hexagonale (similaire à la Wurtzite).
Parmi toutes les structures hexagonales, 6H-SiC et 4H-SiC sont les seuls polytypes de SiC actuellement disponibles sous forme de plaquettes massives.
Le β-SiC (3C-SiC) avec une structure cristalline de zinc blende (similaire au diamant), se forme à des températures inférieures à 1700°C (Muranaka et al, 2008).
Le chiffre 3 fait référence au nombre de couches nécessaires à la périodicité.
Le 3C-SiC possède la plus petite bande interdite (~ 2,4 eV) (Humphreys et al, 1981) et l'une des plus grandes mobilités électroniques (~ 800 cm2V-1s-1) dans un matériau faiblement dopé (Tachibana et al, 1990) de tous les polytypes SiC connus.
Le CARBORUNDUM n'est actuellement pas disponible en vrac, bien que la croissance en vrac de 3C-SiC ait été démontrée dans un environnement de recherche (Shields et al 1994).
Néanmoins, la forme bêta a relativement peu d'utilisations commerciales, bien qu'il y ait maintenant un intérêt croissant pour l'utilisation des CARBORUNDUM comme support pour les catalyseurs hétérogènes, en raison de la surface plus élevée des CARBORUNDUM par rapport à la forme alpha.

Structure en céramique de carbure de silicium
Il existe 250 formes cristallines de carbure de silicium.
La caractéristique polymorphe du SiC est une grande classe de structures cristallines similaires appelées polymorphes.
Ce sont des variantes du même composé, identiques en deux dimensions mais différentes en trois dimensions.
Par conséquent, ils peuvent être considérés comme des couches empilées dans un ordre spécifique.
Propriétés de la céramique au carbure de silicium
Formule composée : SiC
Poids moléculaire : 40,1
Apparence : Noir
Point de fusion : 2 730 °C (4 946 °F) (se décompose)
Densité : 3,0 à 3,2 g/cm3
Résistivité électrique : 1 à 4 10x Ω-m
Coefficient de Poisson : 0,15 à 0,21
Chaleur spécifique : 670 à 1180 J/kg-K

Applications de céramique de carbure de silicium
Jusqu'à l'invention du carbure de bore en 1929, le carbure de silicium était le matériau synthétique le plus dur connu.
Le carborundum a une dureté Mohs de 9, se rapprochant de celle d'un diamant.
De plus, le cristal de SiC présente des caractéristiques de rupture qui les rendent extrêmement utiles dans les meules et dans les produits abrasifs en papier et en tissu.
La conductivité thermique élevée du carborundum, ainsi que sa résistance à haute température, sa faible dilatation thermique et sa résistance aux réactions chimiques et aux chocs thermiques, rendent le carbure de silicium précieux dans la fabrication de briques à haute température et d'autres réfractaires.
La céramique SiC est également classée comme semi-conducteur, ayant une conductivité électrique entre celle des métaux et des matériaux isolants.
Cette propriété, combinée aux propriétés thermiques des carborundums, fait du SiC un substitut prometteur aux semi-conducteurs traditionnels tels que le silicium dans les applications à haute température.

Le carbure de silicium existe sous environ 250 formes cristallines.
Grâce à la pyrolyse en atmosphère inerte de polymères précéramiques, du carbure de silicium sous une forme amorphe vitreuse est également produit.
Le polymorphisme du SiC est caractérisé par une grande famille de structures cristallines similaires appelées polytypes.
Ce sont des variations d'un même composé chimique qui sont identiques dans deux dimensions et diffèrent dans la troisième.
Ainsi, ils peuvent être considérés comme des couches empilées dans un certain ordre.
Le carbure de silicium alpha (α-SiC) est le polymorphe le plus couramment rencontré et se forme à des températures supérieures à 1700 ° C et a une structure cristalline hexagonale (similaire à la Wurtzite).
La modification bêta (β-SiC), avec une structure cristalline de zinc blende (similaire au diamant), se forme à des températures inférieures à 1700 °C.
Jusqu'à récemment, la forme bêta avait relativement peu d'utilisations commerciales, bien qu'il y ait maintenant un intérêt croissant pour l'utilisation des CARBORUNDUM comme support pour les catalyseurs hétérogènes, en raison de la surface plus élevée des CARBORUNDUM par rapport à la forme alpha.
Le SiC pur est incolore.
La couleur marron à noire du CARBURE DE SILICIUM industriel résulte d'impuretés de fer. Le lustre arc-en-ciel des cristaux est dû à l'interférence en couche mince d'une couche de passivation de dioxyde de silicium qui se forme à la surface.
La température de sublimation élevée du SiC (environ 2700 °C) rend le CARBORUNDUM utile pour les roulements et les pièces de four.
Le carbure de silicium ne fond à aucune température connue.
Le carborundum est également très inerte chimiquement.
Il y a actuellement beaucoup d'intérêt pour l'utilisation du CARBORUNDUM comme matériau semi-conducteur dans l'électronique, où sa conductivité thermique élevée, sa résistance élevée au claquage du champ électrique et sa densité de courant maximale élevée le rendent plus prometteur que le silicium pour les appareils à haute puissance.
Le SiC a également un très faible coefficient de dilatation thermique (4,0 × 10−6/K) et ne subit aucune transition de phase qui entraînerait des discontinuités de dilatation thermique.

Les avantages des dispositifs de puissance SiC
Les dispositifs de puissance à base de carbure de silicium offrent divers avantages clés par rapport aux dispositifs au silicium conventionnels.
Leurs capacités de tension et de fréquence plus élevées permettent une plus grande efficacité du système, une commutation plus rapide, des pertes plus faibles et une meilleure gestion thermique.
En fin de compte, les dispositifs SiC permettent des conceptions de puissance plus petites et plus légères avec une densité de puissance plus élevée.
ST a récemment terminé la qualification de la plate-forme technologique SiC de troisième génération de CARBORUNDUM.
Les MOSFET planaires basés sur cette plate-forme établissent de nouvelles références de pointe en matière d'efficacité des transistors, de densité de puissance et de performances de commutation.
Les premiers Carborundums sont maintenant disponibles dans le commerce.
SiC pour la mobilité électrique
Les dispositifs d'alimentation SiC trouvent une application dans les systèmes d'alimentation critiques à l'intérieur des véhicules électriques, y compris les onduleurs de traction, les chargeurs embarqués et dans l'étape de conversion DC/DC.
Ils offrent également des gains d'efficacité significatifs dans les bornes de recharge.
Par rapport à leurs homologues à base de silicium, les dispositifs SiC offrent les avantages suivants :
Plus de 600 km d'autonomie en plus sur un véhicule électrique moyen
150 à 200 kg de poids en moins sur un VE moyen
Doublez l'énergie d'une borne de recharge
Durée de vie de la batterie plus longue grâce à un stress moindre
SiC pour l'énergie et les entraînements industriels
Les dispositifs SiC profitent aux applications industrielles des moteurs et des robots à divers autres systèmes d'automatisation d'usine, ainsi qu'aux alimentations électriques pour les serveurs et les systèmes de conversion d'énergie solaire.
Pour les contextes industriels, les dispositifs SiC peuvent offrir les avantages suivants par rapport aux dispositifs à base de silicium :
50 % de pertes de puissance en moins
Capacité à courir à cinq fois la fréquence
Réduction de 50 % de la taille et du poids du système
Réduction de 20 % du coût total de possession
Les dispositifs d'alimentation à base de SiC peuvent fonctionner jusqu'à une température de jonction de 200 °C (limitée uniquement par le boîtier), ce qui réduit les besoins en refroidissement et permet des solutions plus compactes, plus fiables et plus robustes.
Les conceptions existantes peuvent intégrer les avantages de performance et d'efficacité des dispositifs SiC sans modifications majeures, permettant un développement rapide tout en maintenant la nomenclature au minimum.

Propriétés des principaux polytypes de SiC
Polytype : 3C (β), 4H, 6H (α)
Structure cristalline : Zinc blende (cubique), Hexagonale, Hexagonale
Groupe spatial : T2d-F43m, C46v-P63mc, C46v-P63mc
Symbole Pearson : cF8, hP8, hP12
Constantes de réseau (Å) : 4,3596, 3,0730 ; 10,053, 3,0810 ; 15.12
Densité (g/cm3) : 3,21, 3,21, 3,21
Bande interdite (eV) : 2,36, 3,23, 3,05
Module de compressibilité (GPa) : 250, 220, 220
Conductivité thermique (W ⋅ m − 1 ⋅ K−1)
@ 300 K (voir pour la dépendance à la température) : 360, 370, 490

Propriétés Si 4H-SiC GaAs GaN
Structure cristalline: Diamant Hexagonal Zincblende Hexagonal
Écart énergétique : EG(eV) : 1,12 3,26 1,43 3,5
Mobilité électronique : µn(cm2/VS) 1400 900 8500 1250
Mobilité des trous : µp(cm2) 600 100 400 200
Champ de répartition : EB(V/cm)X106 0,3 3 0,4 3
Conductivité thermique (W/cm ?): 1,5 4,9 0,5 1,3
Vitesse de dérive de saturation : vs(cm/s)X107 1 2,7 2 2,7
Constante diélectrique relative : eS 11,8 9,7 12,8 9,5
p. n Contrôle ? ? ? ?
Oxyde Thermique ? ? × ×

Propriétés du carbure de silicium (théoriques)
Formule composée : Si
Poids moléculaire : 40,1
Aspect : Cristaux incolores
Point de fusion : 2 730 °C (4 946 °F) (se décompose)
Point d'ébullition : N/A
Densité : 3,0 à 3,2 g/cm3
Solubilité dans H2O : N/A
Résistivité électrique : 1 à 4 10x Ω-m
Coefficient de Poisson : 0,15 à 0,21
Chaleur spécifique : 670 à 1180 J/kg-K
Résistance à la traction : 210 à 370 MPa (ultime)
Conductivité thermique : 120 à 170 W/mK
Dilatation thermique : 4,0 à 4,5 µm/mK
Module d'Young : 370 à 490 GPa
Masse exacte : 39,976927
Masse monoisotopique : 39,976927

Propriété : Valeur minimale (SI) Valeur maximale (SI) Unités (SI) Valeur minimale (Imp.) Valeur maximale (Imp.) Unités (Imp.)
Volume atomique (moyenne) : 0,01 0,011 m3/kmol 610,237 671,261 in3/kmol
Densité : 4,36 4,84 Mg/m3 272,186 302,152 lb/ft3
Contenu énergétique : 750 1250 MJ/kg 81254 135423 kcal/lb
Module de masse : 100 176 GPa 14,5038 25,5266 106 psi
Résistance à la compression : 130 1395 MPa 18,8549 202,328 ksi
Ductilité : 0,01 0,4 0,01 0,4 NUL
Limite d'élasticité : 172 1245 MPa 24,9465 180,572 ksi
Limite d'endurance : 175 705 MPa 25,3816 102,252 ksi
Résistance à la rupture : 14 120 MPa.m1/2 12,7407 109,206 ksi.in1/2
Dureté : 600 3800 MPa 87,0227 551,144 ksi
Coefficient de perte : 0,0001 0,005 0,0001 0,005 NUL
Module de rupture : 130 1300 MPa 18,8549 188,549 ksi
Coefficient de Poisson : 0,35 0,37 0,35 0,37 NUL
Module de cisaillement : 32 51 GPa 4,64121 7,39692 106 psi
Résistance à la traction : 240 1625 MPa 34,8091 235,686 ksi
Module de Young : 90 137 GPa 13,0534 19,8702 106 psi
Température du verre : K °F
Chaleur latente de fusion : 360 370 kJ/kg 154,771 159,071 BTU/lb
Température de service maximale : 570 970 K 566,33 1286,33 °F
Point de fusion : 1750 1955 K 2690,33 3059,33 °F
Température de service minimale : 0 0 K -459,67 -459,67 °F
Chaleur spécifique : 510 650 J/kg.K 0,394668 0,503008 BTU/lb.F
Conductivité thermique : 3,8 20,7 W/mK 7,11373 38,7511 BTU.ft/h.ft2.F
Dilatation thermique : 7,9 11 10-6/K 14,22 19,8 10-6/°F
Potentiel de panne : MV/m V/mil
Constante diélectrique : NULL
Résistivité : 41,7 202 10-8 ohm.m 41,7 202 10-8 ohm.m

Principales propriétés du carbure de silicium
Faible densité
Haute résistance
Faible dilatation thermique
Haute conductivité thermique
Haute dureté
Module élastique élevé
Excellente résistance aux chocs thermiques
Inertie chimique supérieure

Conductivité électrique
Le carbure de silicium est un semi-conducteur, qui peut être dopé de type n par de l'azote ou du phosphore et de type p par du béryllium, du bore, de l'aluminium ou du gallium.
La conductivité métallique a été obtenue par un fort dopage avec du bore, de l'aluminium ou de l'azote.
La supraconductivité a été détectée dans 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B et 6H-SiC:B à la même température de 1,5 K.
Une différence cruciale est cependant observée pour le comportement du champ magnétique entre le dopage à l'aluminium et au bore : SiC:Al est de type II, comme SiC:B.
Au contraire, SiC:B est de type I.
Pour tenter d'expliquer cette différence, CARBORUNDUM a noté que les sites de Si sont plus importants que les sites de carbone pour la supraconductivité dans le SiC.
Alors que le bore remplace le carbone dans SiC, Al remplace les sites Si.
Par conséquent, Al et B "voient" des environnements différents qui pourraient expliquer différentes propriétés de SiC:Al et SiC:B.

Outils abrasifs et coupants

Dans les arts, le carbure de silicium est un abrasif populaire dans les lapidaires modernes en raison de la durabilité et du faible coût du matériau.
Dans la fabrication, le CARBORUNDUM est utilisé pour la dureté du CARBORUNDUM dans les processus d'usinage abrasifs tels que le meulage, le rodage, la découpe au jet d'eau et le sablage.
Des particules de carbure de silicium sont laminées sur du papier pour créer des papiers de verre et le ruban adhésif sur les planches à roulettes.
En 1982, un composite exceptionnellement résistant d'oxyde d'aluminium et de barbes de carbure de silicium a été découvert.
Le développement de ce composite produit en laboratoire en un CARBURE DE SILICIUM commercial n'a pris que trois ans.
En 1985, les premiers outils de coupe commerciaux fabriqués à partir de ce composite renforcé de trichites d'alumine et de carbure de silicium ont été introduits sur le marché.

Matériau structurel

Dans les années 1980 et 1990, le carbure de silicium a été étudié dans plusieurs programmes de recherche pour les turbines à gaz à haute température en Europe, au Japon et aux États-Unis.
Les composants étaient destinés à remplacer les aubes de turbine ou les aubes de tuyère en superalliage de nickel.
Cependant, aucun de ces projets n'a abouti à une quantité de production, principalement en raison de sa faible résistance aux chocs et de sa faible ténacité à la rupture.
Comme d'autres céramiques dures (à savoir l'alumine et le carbure de bore), le carbure de silicium est utilisé dans les armures composites (par exemple, les armures Chobham) et dans les plaques de céramique des gilets pare-balles.
Dragon Skin, produit par Pinnacle Armor, utilisait des disques de carbure de silicium.
L'amélioration de la ténacité à la rupture dans l'armure SiC peut être facilitée par le phénomène de croissance anormale des grains ou AGG.
La croissance de grains de carbure de silicium anormalement longs peut servir à conférer un effet de durcissement par pontage fissure-sillage, similaire au renforcement des moustaches.
Des effets de durcissement AGG similaires ont été rapportés dans le nitrure de silicium (Si3N4).
Le carbure de silicium est utilisé comme matériau de support et de rayonnage dans les fours à haute température tels que la cuisson de la céramique, la fusion du verre ou la coulée du verre.
Les étagères de four SiC sont considérablement plus légères et plus durables que les étagères traditionnelles en alumine.
En décembre 2015, l'infusion de nanoparticules de carbure de silicium dans du magnésium fondu a été mentionnée comme un moyen de produire un nouvel alliage solide et plastique adapté à une utilisation dans l'aéronautique, l'aérospatiale, l'automobile et la microélectronique.

Pièces automobiles

Le composite carbone-carbone infiltré de silicium est utilisé pour les disques de frein "céramique" hautes performances, car ils sont capables de résister à des températures extrêmes.
Le silicium réagit avec le graphite dans le composite carbone-carbone pour devenir du carbure de silicium renforcé de fibres de carbone (C/SiC).
Ces disques de frein sont utilisés sur certaines voitures de sport routières, supercars, ainsi que sur d'autres voitures de performance, notamment la Porsche Carrera GT, la Bugatti Veyron, la Chevrolet Corvette ZR1, la McLaren P1, Bentley, Ferrari, Lamborghini et certaines voitures performantes Audi.
Le carbure de silicium est également utilisé sous forme frittée pour les filtres à particules diesel.
CARBORUNDUM est également utilisé comme additif d'huile [douteux - discuter] [clarification nécessaire] pour réduire la friction, les émissions et les harmoniques.

Systèmes électriques
La première application électrique du SiC était dans les parafoudres des systèmes d'alimentation électrique. Ces dispositifs doivent présenter une résistance élevée jusqu'à ce que la tension à leurs bornes atteigne un certain seuil VT, auquel point leur résistance doit chuter à un niveau inférieur et maintenir ce niveau jusqu'à ce que la tension appliquée chute en dessous de VT.

CARBORUNDUM a été reconnu très tôt [quand?] Que le SiC avait une telle résistance dépendante de la tension, et ainsi des colonnes de pastilles de SiC ont été connectées entre les lignes électriques à haute tension et la terre.
Lorsqu'un coup de foudre sur la ligne augmente suffisamment la tension de la ligne, la colonne SiC conduira, permettant au courant de frappe de passer sans danger vers la terre au lieu de le long de la ligne électrique.
Les colonnes de SiC se sont révélées conductrices de manière significative aux tensions de fonctionnement normales de la ligne électrique et ont donc dû être placées en série avec un éclateur.
Cet éclateur est ionisé et rendu conducteur lorsque la foudre élève la tension du conducteur de ligne électrique, connectant ainsi efficacement la colonne de SiC entre le conducteur de puissance et la terre.
Les éclateurs utilisés dans les parafoudres ne sont pas fiables, soit qu'ils ne parviennent pas à créer un arc en cas de besoin, soit qu'ils ne s'éteignent pas par la suite, dans ce dernier cas en raison d'une défaillance matérielle ou d'une contamination par la poussière ou le sel.
L'utilisation de colonnes SiC était à l'origine destinée à éliminer le besoin d'un éclateur dans les parafoudres.
Les parafoudres Gapped SiC étaient utilisés pour la protection contre la foudre et vendus sous les marques GE et Westinghouse, entre autres.
Le parafoudre SiC à espacement a été largement remplacé par des varistances sans espacement qui utilisent des colonnes de pastilles d'oxyde de zinc.

Eléments de circuits électroniques
Le carbure de silicium a été le premier matériau semi-conducteur commercialement important.
Une diode de détection radio à cristal "carborundum" (carbure de silicium synthétique) a été brevetée par Henry Harrison Chase Dunwoody en 1906.
CARBORUNDUM a trouvé une utilisation très précoce dans les récepteurs de bord.

Appareils électroniques de puissance
Le CARBURE DE SILICIUM est un semi-conducteur dans la recherche et la production de masse précoce offrant des avantages pour les dispositifs rapides, à haute température et/ou à haute tension.
Les premiers dispositifs disponibles étaient les diodes Schottky, suivies des FET à grille de jonction et des MOSFET pour la commutation haute puissance.
Des transistors bipolaires et des thyristors sont actuellement développés.
Un problème majeur pour la commercialisation du SiC a été l'élimination des défauts : dislocations de bord, dislocations de vis (à la fois à noyau creux et fermé), défauts triangulaires et dislocations du plan basal.
En conséquence, les dispositifs constitués de cristaux de SiC affichaient initialement de mauvaises performances de blocage inverse, bien que les chercheurs aient tenté de trouver des solutions pour améliorer les performances de claquage.
Outre la qualité du cristal, les problèmes d'interface du SiC avec le dioxyde de silicium ont entravé le développement des MOSFET de puissance à base de SiC et des transistors bipolaires à grille isolée.
Bien que le mécanisme ne soit pas encore clair, la nitruration a considérablement réduit les défauts à l'origine des problèmes d'interface.
En 2008, les premiers JFET commerciaux évalués à 1200 V ont été introduits sur le marché, suivis en 2011 par les premiers MOSFET commerciaux évalués à 1200 V.
Les JFET sont désormais disponibles de 650 V à 1700 V avec une résistance aussi faible que 25 mΩ.
Outre les commutateurs SiC et les diodes Schottky SiC (également diode à barrière Schottky, SBD) dans les boîtiers populaires TO-247 et TO-220, les entreprises ont commencé encore plus tôt à implémenter les puces nues dans leurs modules électroniques de puissance.
Les diodes SiC SBD ont trouvé une large diffusion sur le marché en étant utilisées dans les circuits PFC et les modules de puissance IGBT.
Des conférences telles que la Conférence internationale sur les systèmes intégrés d'électronique de puissance (CIPS) rendent régulièrement compte des progrès technologiques des dispositifs de puissance SiC.
Les principaux défis pour libérer pleinement les capacités des dispositifs de puissance SiC sont :
Commande de grille : les dispositifs SiC nécessitent souvent des niveaux de tension de commande de grille qui sont différents de leurs homologues en silicium et peuvent même être asymétriques, par exemple, +20 V et -5 V.
Emballage : les puces SiC peuvent avoir une densité de puissance supérieure à celle des dispositifs d'alimentation en silicium et sont capables de supporter des températures plus élevées dépassant la limite du silicium de 150 °C.
De nouvelles technologies de fixation de matrice telles que le frittage sont nécessaires pour évacuer efficacement la chaleur des dispositifs et assurer une interconnexion fiable.

DEL ultraviolette
LED
Le phénomène d'électroluminescence a été découvert en 1907 en utilisant du carbure de silicium et les premières LED commerciales étaient à base de SiC.
Des LED jaunes en 3C-SiC ont été fabriquées en Union soviétique dans les années 1970[64] et des LED bleues (6H-SiC) dans le monde entier dans les années 1980.
La production de LED s'est rapidement arrêtée lorsqu'un matériau différent, le nitrure de gallium, a montré une émission 10 à 100 fois plus brillante.
Cette différence d'efficacité est due à la bande interdite indirecte défavorable du SiC, alors que le GaN a une bande interdite directe qui favorise l'émission lumineuse.
Le SiC est toujours l'un des composants LED importants - le CARBURE DE SILICIUM est un substrat populaire pour la croissance des dispositifs GaN, et le CARBURE DE SILICIUM sert également de dissipateur de chaleur dans les LED haute puissance.

Astronomie

Le faible coefficient de dilatation thermique, la dureté élevée, la rigidité et la conductivité thermique font du carbure de silicium un matériau de miroir souhaitable pour les télescopes astronomiques.
La technologie de croissance (dépôt chimique en phase vapeur) a été mise à l'échelle pour produire des disques de carbure de silicium polycristallin jusqu'à 3,5 m (11 pi) de diamètre, et plusieurs télescopes comme le télescope spatial Herschel sont déjà équipés d'optiques SiC, ainsi que l'espace Gaia. Les sous-systèmes d'engins spatiaux d'observatoire sont montés sur un cadre rigide en carbure de silicium, qui fournit une structure stable qui ne se dilate pas ou ne se contracte pas à cause de la chaleur.
Pyrométrie filament mince
Article principal: pyrométrie à filament mince
Flamme d'essai et fibres SiC incandescentes.
La flamme mesure environ 7 cm (2,8 po) de hauteur.
Les fibres de carbure de silicium sont utilisées pour mesurer les températures des gaz dans une technique optique appelée pyrométrie à filament mince.
Le CARBURE DE SILICIUM implique le placement d'un filament fin dans un flux de gaz chaud.
Les émissions radiatives du filament peuvent être corrélées avec la température du filament.
Les filaments sont des fibres de SiC d'un diamètre de 15 micromètres, soit environ un cinquième de celui d'un cheveu humain.
Parce que les fibres sont si fines, elles perturbent peu la flamme et leur température reste proche de celle du gaz local.
Des températures d'environ 800 à 2500 K peuvent être mesurées.

Éléments chauffants
Des références aux éléments chauffants en carbure de silicium existent depuis le début du XXe siècle, lorsqu'ils ont été produits par Acheson's Carborundum Co. aux États-Unis et EKL à Berlin.
Le carbure de silicium offrait des températures de fonctionnement accrues par rapport aux éléments chauffants métalliques
Les éléments en carbure de silicium sont aujourd'hui utilisés dans la fusion du verre et des métaux non ferreux, le traitement thermique des métaux, la production de verre flotté, la production de céramiques et de composants électroniques, les allumeurs des veilleuses pour les appareils de chauffage au gaz, etc.
Particules et gaines de combustible nucléaire
Le carbure de silicium est un matériau important dans les particules de combustible revêtues de TRISO, le type de combustible nucléaire que l'on trouve dans les réacteurs refroidis au gaz à haute température tels que le Pebble Bed Reactor.
Une couche de carbure de silicium donne un support structurel aux particules de combustible enrobées et constitue la principale barrière de diffusion à la libération des CARBURES DE SILICIUM de fission.
Le matériau composite en carbure de silicium a été étudié pour une utilisation en remplacement du revêtement Zircaloy dans les réacteurs à eau légère.
L'une des raisons de cette enquête est que le Zircaloy subit une fragilisation par l'hydrogène en conséquence de la réaction de corrosion avec l'eau.
Cela produit une réduction de la ténacité à la rupture avec l'augmentation de la fraction volumétrique d'hydrures radiaux.
Ce phénomène augmente drastiquement avec l'augmentation de la température au détriment du matériau.
Les gaines en carbure de silicium ne subissent pas cette même dégradation mécanique, mais conservent à la place des propriétés de résistance lorsque la température augmente.
Le composite est constitué de fibres SiC enroulées autour d'une couche interne SiC et entourées d'une couche externe SiC.
Des problèmes ont été signalés avec la possibilité de joindre les pièces du composite SiC.

Bijoux

Une bague de fiançailles en moissanite
En tant que pierre précieuse utilisée dans les bijoux, le carbure de silicium est appelé "moissanite synthétique" ou simplement "moissanite" d'après le nom du minéral.
La moissanite est similaire au diamant à plusieurs égards importants : LE CARBURE DE SILICIUM est transparent et dur (9–9,5 sur l'échelle de Mohs, contre 10 pour le diamant), avec un indice de réfraction compris entre 2,65 et 2,69 (contre 2,42 pour le diamant).
La moissanite est un peu plus dure que la zircone cubique commune.
Contrairement au diamant, la moissanite peut être fortement biréfringente.
Pour cette raison, les bijoux en moissanite sont taillés le long de l'axe optique du cristal pour minimiser les effets biréfringents.
Le CARBURE DE SILICIUM est plus léger (densité 3,21 g/cm3 contre 3,53 g/cm3) et beaucoup plus résistant à la chaleur que le diamant.
Il en résulte une pierre d'un lustre plus élevé, de facettes plus nettes et d'une bonne résilience.
Les pierres de moissanite en vrac peuvent être placées directement dans des moules à anneaux de cire pour la coulée à la cire perdue, tout comme le diamant, car la moissanite reste intacte par des températures allant jusqu'à 1 800 ° C (3 270 ° F).
La moissanite est devenue populaire comme substitut du diamant et peut être identifiée à tort comme du diamant, car sa conductivité thermique est plus proche du diamant que tout autre substitut.
De nombreux appareils de test thermique du diamant ne peuvent pas distinguer la moissanite du diamant, mais la gemme se distingue par sa biréfringence et une très légère fluorescence verte ou jaune sous la lumière ultraviolette.
Certaines pierres de moissanite ont également des inclusions incurvées en forme de cordes, ce que les diamants n'ont jamais.

Production d'acier

Morceau de carbure de silicium utilisé dans la fabrication de l'acier
Le carbure de silicium, dissous dans un four à oxygène basique utilisé pour la fabrication de l'acier, agit comme un combustible.
L'énergie supplémentaire libérée permet au four de traiter plus de ferraille avec la même charge de métal chaud.
Le CARBURE DE SILICIUM peut également être utilisé pour augmenter les températures du robinet et ajuster la teneur en carbone et en silicium.
Le carbure de silicium est moins cher qu'une combinaison de ferrosilicium et de carbone, produit un acier plus propre et moins d'émissions en raison des faibles niveaux d'oligo-éléments, a une faible teneur en gaz et n'abaisse pas la température de l'acier.

Prise en charge du catalyseur
La résistance naturelle à l'oxydation présentée par le carbure de silicium, ainsi que la découverte de nouvelles façons de synthétiser la forme β-SiC cubique, avec une surface plus grande du CARBURE DE SILICIUM, ont conduit à un intérêt significatif pour son utilisation comme support de catalyseur hétérogène.
Cette forme a déjà été employée comme support de catalyseur pour l'oxydation d'hydrocarbures, tels que le n-butane, en anhydride maléique.
Gravure au carborundum
Le carbure de silicium est utilisé dans la gravure au carborundum - une technique de gravure collagraphique.
Le grain de carborundum est appliqué sous forme de pâte à la surface d'une plaque d'aluminium.
Lorsque la pâte est sèche, l'encre est appliquée et emprisonnée dans sa surface granuleuse, puis essuyée des zones nues de la plaque.
La plaque d'encre est ensuite imprimée sur du papier dans une presse à lit roulant utilisée pour la gravure en taille-douce.
Le résultat est une impression de marques peintes en relief dans le papier.
Le grain de carborundum est également utilisé dans la lithographie sur pierre.
La taille uniforme des particules de CARBURE DE SILICIUM permet au CARBURE DE SILICIUM d'être utilisé pour "grainer" une pierre qui supprime l'image précédente.
Dans un processus similaire au ponçage, du Carborundum à grain plus grossier est appliqué sur la pierre et travaillé avec un Levigator, puis un grain de plus en plus fin est appliqué progressivement jusqu'à ce que la pierre soit propre.
Cela crée une surface sensible à la graisse.

Production de graphène
Le carbure de silicium peut être utilisé dans la production de graphène en raison de ses propriétés chimiques qui favorisent la production épitaxiale de graphène à la surface des nanostructures de SiC.
En ce qui concerne la production de CARBURES DE SILICIUM, le silicium est principalement utilisé comme substrat pour faire croître le graphène.
Mais il existe en fait plusieurs méthodes qui peuvent être utilisées pour faire croître le graphène sur le carbure de silicium.
La méthode de croissance par sublimation contrôlée par confinement (CCS) consiste en une puce SiC chauffée sous vide avec du graphite.
Puis le vide est relâché très progressivement pour contrôler la croissance du graphène.
Cette méthode donne les couches de graphène de la plus haute qualité.
Mais d'autres méthodes ont été signalées comme produisant également le même CARBURE DE SILICIUM.
Une autre façon de faire pousser du graphène consisterait à décomposer thermiquement le SiC à haute température dans le vide.
Mais cette méthode s'avère produire des couches de graphène qui contiennent des grains plus petits à l'intérieur des couches.
Il y a donc eu des efforts pour améliorer la qualité et le rendement du graphène.
Un tel procédé consiste à effectuer une graphitisation ex situ de SiC à terminaison silicium dans une atmosphère constituée d'argon.
Cette méthode s'est avérée produire des couches de graphène avec des tailles de domaine plus grandes que la couche qui serait réalisable via d'autres méthodes.
Cette nouvelle méthode peut être très viable pour fabriquer du graphène de meilleure qualité pour une multitude d'applications technologiques.
Lorsqu'il s'agit de comprendre comment ou quand utiliser ces méthodes de production de graphène, la plupart d'entre elles produisent ou cultivent principalement ce graphène sur le SiC dans un environnement propice à la croissance.
Le carbure de silicium est utilisé le plus souvent à des températures plutôt élevées (telles que 1300˚C) en raison des propriétés thermiques du SiC.
Certaines procédures ont été réalisées et étudiées qui pourraient potentiellement donner lieu à des méthodes utilisant des températures plus basses pour aider à fabriquer du graphène.
Plus précisément, il a été observé que cette approche différente de la croissance du graphène produisait du graphène dans un environnement de température d'environ 750˚C.
Cette méthode implique la combinaison de certaines méthodes telles que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et la ségrégation de surface.
Et lorsque le CARBURE DE SILICIUM arrive sur le substrat, la procédure consisterait à revêtir un substrat de SiC de couches minces d'un métal de transition.
Et après le traitement thermique rapide de cette substance, les atomes de carbone deviendraient alors plus abondants à l'interface de surface du film de métal de transition qui donnerait alors du graphène.
Et ce processus s'est avéré produire des couches de graphène qui étaient plus continues sur toute la surface du substrat.

La physique quantique
Le carbure de silicium peut héberger des défauts ponctuels dans le réseau cristallin appelés centres de couleur.
Ces défauts peuvent produire des photons uniques à la demande et ainsi servir de plate-forme pour une source de photons uniques.
Un tel dispositif est une ressource fondamentale pour de nombreuses applications émergentes de la science de l'information quantique.
Si l'on pompe un centre de couleur via une source optique externe ou un courant électrique, le centre de couleur sera amené à l'état excité puis se relâchera avec l'émission d'un photon.
Un défaut ponctuel bien connu dans le carbure de silicium est la dilacune qui a une structure électronique similaire à celle du centre de lacune d'azote dans le diamant.
Dans le 4H-SiC, la dilacune a quatre configurations différentes qui correspondent à quatre lignes à zéro phonon (ZPL).
Ces valeurs ZPL sont écrites en utilisant la notation VSi-VC et l'unité eV : hh(1,095), kk(1,096), kh(1,119) et hk(1,150).

Guides cannes à pêche
Le carbure de silicium est utilisé dans la fabrication des guides de pêche en raison de sa durabilité et de sa résistance à l'usure.
Les bagues en carbure de silicium sont insérées dans un cadre de guidage, généralement en acier inoxydable ou en titane, qui empêche la ligne de toucher l'ébauche de la tige.
Les anneaux offrent une surface à faible frottement qui améliore la distance de lancer tout en offrant une dureté adéquate qui empêche l'abrasion de la ligne de pêche tressée.

Matériaux céramiques
Le carbure de silicium (SiC) est une céramique fine semi-conductrice synthétique qui excelle dans un large éventail de marchés industriels.
Les fabricants bénéficient d'une offre éclectique de nuances de carbure de silicium grâce à la disponibilité de structures poreuses à haute densité et ouvertes.
Combiné à la résistance exceptionnelle à haute température et aux chocs thermiques du matériau, ainsi qu'à des propriétés mécaniques intrinsèquement impressionnantes, le carbure de silicium est l'une des céramiques réfractaires les plus polyvalentes au monde.

Carbure de silicium : nuances, formats et types de liaison
Saint-Gobain a passé des années à développer une compréhension unique des propriétés thermomécaniques et chimiques des céramiques en carbure de silicium développées via de nombreuses voies de fabrication distinctes.
Ainsi, Saint-Gobain se positionne désormais comme l'un des tout premiers fournisseurs mondiaux de céramiques au carbure de silicium.
Avec une sélection de CARBURES DE SILICIUM de confiance dans l'industrie, Saint-Gobain dessert régulièrement des domaines d'application exigeants avec des solutions sur mesure uniques.

Avantages de la technologie CARBURE DE SILICIUM (SiC)
Les dispositifs SiC ont une intensité de champ de claquage diélectrique 10x plus élevée, une vitesse de saturation des électrons 2x plus élevée, une bande interdite d'énergie 3x plus élevée et une conductivité thermique 3x plus élevée par rapport aux dispositifs au silicium.

Grande fiabilité
Les dispositifs onsemi SiC ont une structure de terminaison brevetée qui offre une robustesse supérieure pour les conditions environnementales difficiles.
Test H3TRB (haute température/humidité/biais), 85 C/85 % HR/85 % V (960 V).

Robustesse
Les diodes Onsemi Schottky Barrier SiC conservent toujours le meilleur comportement de leur catégorie en ce qui concerne les fuites.

Rugosité
Robustesse des diodes SiC – Surtension et avalanche

Forme d'onde du courant de surtension d'une diode onsemi SiC 650V/30A
Forme d'onde du courant d'avalanche d'une diode onsemi SiC 650V/30A

Carbure de silicium (SiC) : historique et applications

Ils sont plus utilisés pour un fonctionnement avec usure à basse température que pour un comportement à haute température.
Les applications SiC sont telles que les injecteurs de sablage, les joints de pompe à eau automobile, les roulements, les composants de pompe et les matrices d'extrusion qui utilisent une dureté élevée, une résistance à l'abrasion et une résistance à la corrosion du carbure de silicium.

Contribution de Digi-Key Electronics

Le seul composé de silicium et de carbone est le carbure de silicium (SiC), ou carborundum.
Le SiC est naturellement présent sous forme de moissanite minérale, mais cela est extrêmement rare.
Le carbure de silicium est produit en masse sous forme de poudre pour être utilisé comme abrasif depuis 1893.
En tant qu'abrasif, le CARBURE DE SILICIUM est utilisé depuis plus de cent ans dans les meules et de nombreuses autres applications abrasives.
Avec la technologie actuelle, des céramiques de qualité technique de haute qualité ont été développées avec du SiC qui présentent des propriétés mécaniques très avantageuses telles que :

Dureté exceptionnelle
Haute résistance
Faible densité
Module élastique élevé
Haute résistance aux chocs thermiques
Inertie chimique supérieure
Haute conductivité thermique
Faible dilatation thermique
Ces céramiques à haute résistance et très durables sont largement utilisées dans des applications telles que les freins et les embrayages automobiles, ainsi que des plaques de céramique intégrées dans des gilets pare-balles.
Le carbure de silicium est également utilisé dans les dispositifs électroniques à semi-conducteurs fonctionnant à hautes températures et/ou hautes tensions tels que les allumeurs de flamme, le chauffage par résistance et les composants électroniques pour environnements difficiles.

Utilisations automobiles du SiC
L'une des principales utilisations du carbure de silicium est les disques de frein "céramique" hautes performances.
Le silicium se combine avec le graphite dans le composite pour devenir du carbure de silicium renforcé de fibres de carbone (C/SiC).
Ces disques de frein sont utilisés sur certaines voitures de sport, supercars et autres véhicules de performance.
Une autre utilisation automobile du SiC est comme additif pour l'huile.
Dans cette application, le SiC réduit les frottements, les émissions et les harmoniques.

Premières utilisations du SiC
LED
L'électroluminescence a été découverte pour la première fois en 1907 à l'aide de diodes électroluminescentes (DEL) au carbure de silicium.
Peu de temps après, les premières LED commerciales produites étaient à base de SiC.
L'Union soviétique a fabriqué des LED SiC jaunes dans les années 1970 tandis que des LED bleues ont été fabriquées dans les années 1980 dans le monde entier.
Puis, avec l'introduction des LED au nitrure de gallium (GaN), qui peuvent produire des émissions dix à cent fois plus lumineuses, la production de LED SiC a été pratiquement arrêtée.
Néanmoins, le SiC est toujours un substrat populaire pour les dispositifs GaN et le CARBURE DE SILICIUM est également utilisé comme dissipateur de chaleur LED haute puissance.

Parafoudres
SiC a une résistance élevée jusqu'à ce qu'une tension de seuil (VT) soit atteinte, à quel point la résistance du CARBURE DE SILICIUM chute à une valeur beaucoup plus faible jusqu'à ce que la tension appliquée tombe en dessous de VT.
L'une des premières applications électriques SiC à tirer parti de cette propriété était les parafoudres dans les systèmes de distribution d'énergie électrique.

Utilisations types du carbure de silicium
Composants de turbine fixes et mobiles
Couvercles de boîte d'aspiration
Joints, roulements
Pièces de robinet à tournant sphérique
Doublures d'écoulement de gaz chaud
Échangeurs de chaleur
Équipement de traitement des semi-conducteurs

Ces dernières années, le carbure de silicium, SiC, est réapparu comme un matériau technologique vital qui est crucial dans de nombreuses applications de matériaux et d'ingénierie.
Fait intéressant, le SiC est l'un des rares minéraux qui ont d'abord été créés synthétiquement et découverts par la suite dans la nature.
Le carbure de silicium a été synthétisé artificiellement pour la première fois en 1891 par Edward Acheson à la suite de la découverte inattendue de petits cristaux noirs de SiC dans une masse fondue de carbone et d'alumine chauffée électriquement.
Le raffinement ultérieur de cette technique (le procédé dit Acheson) a conduit au CARBURE DE SILICIUM commercial de grands volumes de petits cristaux de SiC (broyés en poudre) pour une utilisation comme abrasif industriel.
En 1905, le carbure de silicium a été observé sous forme naturelle de CARBURE DE SILICIUM par le chimiste lauréat du prix Nobel Henri Moissan à Diablo Canyon, en Arizona.
Le minéral transparent, maintenant connu sous le nom de moissanite, est presque aussi brillant et aussi dur que le diamant, et est donc souvent utilisé comme pierre précieuse.
À ce jour, aucun grand gisement naturel de SiC n'a jamais été trouvé dans la nature, de sorte que tout le SiC utilisé aujourd'hui est synthétique.
De nos jours, le SiC est l'un des matériaux les plus largement utilisés qui joue un rôle essentiel dans des industries telles que : l'aérospatiale, l'électronique, les fours industriels et les pièces mécaniques résistantes à l'usure, entre autres.
Bien que le SiC soit largement utilisé dans l'électronique et d'autres applications de haute technologie, les industries métallurgiques, abrasives et réfractaires dominent en volume.

1. Quelles sont les principales propriétés du SiC ?
L'association du silicium et du carbone confère à ce matériau d'excellentes propriétés mécaniques, chimiques et thermiques, notamment :
haute conductivité thermique
faible dilatation thermique et excellente résistance aux chocs thermiques
faibles pertes de puissance et de commutation
haute efficacité énergétique
fréquence et température de fonctionnement élevées (fonctionnement jusqu'à 200°C jonction)
petite taille de matrice (avec la même tension de claquage)
diode à corps intrinsèque (dispositif MOSFET)
excellente gestion thermique qui réduit les besoins en refroidissement
longue durée de vie

2. Quelles sont les applications du SiC en électronique ?
Le carbure de silicium est un semi-conducteur parfaitement adapté aux applications de puissance, grâce notamment à la capacité des CARBURES DE SILICIUM à supporter des tensions élevées, jusqu'à dix fois supérieures à celles utilisables avec le silicium.
Les semi-conducteurs à base de carbure de silicium offrent une conductivité thermique plus élevée, une mobilité électronique plus élevée et des pertes de puissance plus faibles.
Les diodes et transistors SiC peuvent également fonctionner à des fréquences et des températures plus élevées sans compromettre la fiabilité.
Les principales applications des dispositifs SiC, tels que les diodes Schottky et les transistors FET/MOSFET, comprennent les convertisseurs, les onduleurs, les alimentations, les chargeurs de batterie et les systèmes de commande de moteur.

3. Pourquoi le SiC surpasse le Si dans les applications de puissance ?
Bien qu'il soit le semi-conducteur le plus utilisé en électronique, le silicium commence à montrer certaines limites, en particulier dans les applications à haute puissance.
Un facteur pertinent dans ces applications est la bande interdite, ou bande interdite, offerte par le semi-conducteur.
Lorsque la bande interdite est élevée, l'électronique qu'elle utilise peut être plus petite, plus rapide et plus fiable.
Le CARBURE DE SILICIUM peut également fonctionner à des températures, des tensions et des fréquences plus élevées que les autres semi-conducteurs.
Alors que le silicium a une bande interdite d'environ 1,12 eV, le carbure de silicium a une valeur presque trois fois supérieure d'environ 3,26 eV.

4. Pourquoi le SiC peut-il supporter des tensions aussi élevées ?
Les dispositifs de puissance, en particulier les MOSFET, doivent être capables de gérer des tensions extrêmement élevées.
Grâce à une intensité de claquage diélectrique du champ électrique environ dix fois supérieure à celle du silicium, le SiC peut atteindre une tension de claquage très élevée, de 600V à quelques milliers de volts.
Le SiC peut utiliser des concentrations de dopage plus élevées que le silicium, et les couches de dérive peuvent être rendues très fines.
Plus la couche de dérive est fine, plus la résistance des CARBURES DE SILICIUM est faible.
En théorie, étant donné une haute tension, la résistance de la couche de dérive par unité de surface peut être réduite à 1/300 de celle du silicium.

5. Pourquoi le SiC peut-il surpasser l'IGBT à hautes fréquences ?
Dans les applications à haute puissance, les IGBT et les transistors bipolaires ont été principalement utilisés dans le passé, dans le but de réduire la résistance à l'amorçage qui se produit à des tensions de claquage élevées.
Ces dispositifs présentent cependant des pertes de commutation importantes, ce qui entraîne des problèmes de génération de chaleur qui limitent leur utilisation aux hautes fréquences.
En utilisant le SiC, le CARBURE DE SILICIUM permet de fabriquer des dispositifs, tels que des diodes à barrière Schottky et des MOSFET, qui atteignent des tensions élevées, une faible résistance à l'allumage et un fonctionnement rapide.

6. Quelles impuretés sont utilisées pour doper le matériau SiC ?
Sous sa forme pure, le carbure de silicium se comporte comme un isolant électrique.
Avec l'ajout contrôlé d'impuretés ou de dopants, le SiC peut se comporter comme un semi-conducteur.
Un semi-conducteur de type P peut être obtenu en dopant du CARBURE DE SILICIUM avec de l'aluminium, du bore ou du gallium, tandis que des impuretés d'azote et de phosphore donnent naissance à un semi-conducteur de type N.
Le carbure de silicium a la capacité de conduire l'électricité dans certaines conditions mais pas dans d'autres, en fonction de facteurs tels que la tension ou l'intensité du rayonnement infrarouge, de la lumière visible et des rayons ultraviolets.
Contrairement à d'autres matériaux, le carbure de silicium est capable de contrôler les régions de type P et de type N nécessaires à la fabrication de dispositifs sur de larges plages.
Pour ces raisons, le SiC est un matériau adapté aux dispositifs de puissance et capable de surmonter les limitations offertes par le silicium.

7. Comment le SiC peut-il réaliser une meilleure gestion thermique que le silicium ?
Un autre paramètre important est la conductivité thermique, qui est un indice de la capacité du semi-conducteur à dissiper la chaleur qu'il génère.
fa semi-conducteur n'est pas en mesure de dissiper efficacement la chaleur, une limitation est introduite sur la tension de fonctionnement maximale et la température que l'appareil peut supporter.
C'est un autre domaine où le carbure de silicium surpasse le silicium : la conductivité thermique du carbure de silicium est de 1490 W/mK, contre les 150 W/mK offerts par le silicium.

8. Quel est le temps de récupération inverse du SiC par rapport au Si-MOSFET ?
Les MOSFET SiC, comme leurs homologues en silicium, ont une diode de corps interne.
L'une des principales limitations offertes par la diode de corps est le comportement de récupération inverse indésirable, qui se produit lorsque la diode s'éteint tout en transportant un courant direct positif.
Le temps de récupération inverse (trr) devient ainsi un indice important pour définir les caractéristiques d'un MOSFET.

9. Pourquoi l'arrêt progressif est-il important pour la protection contre les courts-circuits ?
Un autre paramètre important pour un MOSFET SiC est le temps de tenue aux courts-circuits (SCWT).
Étant donné que les MOSFET SiC occupent une très petite surface de la puce et ont une densité de courant élevée, leur capacité à résister aux courts-circuits pouvant provoquer des ruptures thermiques a tendance à être inférieure à celle des dispositifs à base de silicium.
Dans le cas par exemple d'un MOSFET 1,2kV avec boîtier TO247, le temps de tenue aux courts-circuits à Vdd=700V et Vgs=18V est de l'ordre de 8-10µs.
Lorsque Vgs diminue, le courant de saturation diminue et le temps de tenue augmente.
Lorsque Vdd diminue, moins de chaleur est générée et le temps de tenue est plus long.
Étant donné que le temps nécessaire pour désactiver un MOSFET SiC est extrêmement court, lorsque le taux de désactivation Vgs est élevé, un dI/dt élevé peut provoquer de fortes pointes de tension.
Un arrêt progressif doit donc être utilisé pour abaisser progressivement la tension de grille, en évitant les pics de surtension.

10. Pourquoi le pilote de portail isolé est-il un meilleur choix ?
De nombreux appareils électroniques sont à la fois des circuits basse et haute tension, interconnectés les uns aux autres pour effectuer des fonctions de commande et d'alimentation.
Un onduleur de traction, par exemple, comprend généralement un côté primaire basse tension (circuits de puissance, de communication et de contrôle) et un côté secondaire (circuits haute tension, moteur, étage de puissance et circuits auxiliaires).
Le contrôleur situé du côté primaire utilise normalement des signaux de retour du côté haute tension et est susceptible d'être endommagé si aucune barrière d'isolement n'est présente.
Une barrière d'isolation isole électriquement les circuits du côté primaire au côté secondaire en formant des références de masse séparées, mettant en œuvre ce que l'on appelle l'isolation galvanique.
Cela empêche les signaux CA ou CC indésirables d'être transférés d'un côté à l'autre, entraînant des dommages aux composants de puissance.

STRUCTURE EN CRISTAL
Le carbure de silicium a une structure cristalline en couches qui se présente sous un certain nombre de formes ou de polytypes différents.
Composé de carbone et de silicium, en quantités égales, chaque atome est lié à quatre atomes de type opposé dans une configuration de liaison tétraédrique.
Il existe trois arrangements possibles d'atomes dans une couche de cristal de SiC connus sous le nom de positions A, B et C, et chaque polytype a les mêmes couches mais une séquence d'empilement différente.
Comme une couche donnée peut être empilée au-dessus d'une autre dans une variété d'orientations (les translations latérales et les rotations étant réalisables énergétiquement), le carbure de silicium peut se produire dans une grande variété de séquences d'empilement - chaque séquence d'empilement unique générant un polytype différent (par exemple , cubiques, hexagonales et rhomboédriques peuvent toutes apparaître).
Les structures hexagonales et rhomboédriques, désignées sous le nom de forme α (non cubique), peuvent cristalliser en un grand nombre de polytypes alors qu'à ce jour, une seule forme de structure cubique (désignée sous le nom de forme β) a été enregistrée.
DesignatioN correspond au nombre de couches dans la séquence, suivi de H, R ou C pour indiquer si le type appartient à la classe hexagonale, rhomboédrique ou cubique.
À ce jour, plus de 215 polytypes ont été enregistrés, bien que seul un nombre limité présente un intérêt technologique (principalement les formes hexagonales 4H et 6H plus les formes cubiques 3C).
Cet intérêt est motivé par la disponibilité commerciale des substrats et la faible anisotropie de mobilité (différence de mobilité des porteurs avec la direction cristallographique) pour ces polytypes.

Séquences d'empilement des structures cristallines
Séquences d'empilement des structures cristallines de (a) 3C SiC, (b) 4H SiC et (c) 6H SiC.
Le terme « carbure de silicium » est couramment utilisé pour décrire une gamme de matériaux qui sont en fait bien distincts.
Les ingénieurs mécaniciens peuvent utiliser le CARBURE DE SILICIUM pour décrire des céramiques qui sont fabriquées à partir de cristallites de SiC relativement impurs liées avec divers liants sous température et/ou pression, tandis que les ingénieurs électriciens peuvent utiliser le terme pour décrire des tranches monocristallines de SiC de haute pureté.

APPLICATIONS BASÉES SUR LES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
Toutes les formes de carbure de silicium sont bien connues en tant que matériaux durs occupant une position relative sur l'échelle de Mohs entre l'alumine à 9 et le diamant en raison de sa conductivité thermique élevée et de sa faible dilatation thermique, le carbure de silicium est très résistant aux chocs thermiques par rapport aux autres matériaux réfractaires .
Jusqu'à l'émergence récente du carbure de silicium en tant que matériau important pour l'électronique, les propriétés mécaniques des céramiques SiC étaient l'intérêt commercial dominant.
La formation de poudre de SiC est un préalable essentiel à la fabrication de nombreux types d'articles en céramique, qui sont ensuite obtenus par mise en forme de la poudre de carbure de silicium fabriquée.
Les poudres de SiC avec des niveaux de pureté, des structures cristallines, des tailles de particules, des formes et des distributions variables peuvent être préparées par plusieurs voies.
Les méthodes qui ont été examinées comprennent : la croissance par sublimation, la réduction carbothermique (le procédé Acheson), la conversion à partir de polymères et les réactions chimiques en phase gazeuse.
Bien que fragiles par nature, les céramiques au carbure de silicium sont des matériaux de pointe pour les composants rotatifs et statiques dans de nombreuses applications mécaniques.
Ils se caractérisent par une faible ténacité à la rupture et une résistance à la rupture limitée par rapport aux métaux.
La résistance d'un composant céramique en carbure de silicium est généralement déterminée par des défauts préexistants introduits dans le matériau lors du traitement.
Le type, la taille, la forme et l'emplacement des défauts varient considérablement et, par conséquent, la force aussi.
Les céramiques de carbure de silicium fabriquées par différentes techniques ont également des propriétés mécaniques bien distinctes.
Par exemple, le carbure de silicium fritté conserve la résistance des CARBURES DE SILICIUM à des températures élevées et présente d'excellentes propriétés dépendant du temps telles que le fluage et la résistance à la croissance lente des fissures.
En revanche, le SiC lié par réaction, en raison de la présence de silicium libre dans la microstructure des CARBURES DE SILICIUM, présente des propriétés à température élevée légèrement inférieures.
L'extrême dureté du carbure de silicium conduit à son utilisation comme revêtement lorsque la résistance à l'usure est importante, comme les garnitures de frein et les contacts électriques, et dans les applications antidérapantes telles que les marches de sol ou d'escalier, les carreaux de terrazzo, les formulations de peinture de pont et la route. surfaces.
Le SiC est également couramment utilisé dans les joints mécaniques que l'on trouve dans les pompes, les compresseurs et les agitateurs dans une grande variété d'environnements exigeants, y compris ceux hautement corrosifs.
Le carbure de silicium est plus dur, mais plus cassant, que d'autres abrasifs tels que l'oxyde d'aluminium.
Étant donné que les grains se fracturent facilement et maintiennent une action de coupe nette, les abrasifs au carbure de silicium sont généralement utilisés pour le meulage de matériaux durs à faible résistance à la traction tels que le fer refroidi, le marbre et le granit, et les matériaux nécessitant une action de coupe nette tels que la fibre, le caoutchouc, cuir ou cuivre.
Le carbure de silicium est également utilisé sous forme libre pour le rodage ; mélangé avec d'autres matériaux pour former des pâtes abrasives, ou utilisé avec des supports en tissu pour former des feuilles, des disques ou des courroies abrasives.

APPLICATIONS BASÉES SUR LES PROPRIÉTÉS ÉLECTRONIQUES ET OPTIQUES
Ces dernières années, le SiC s'est imposé comme un matériau prometteur pour l'électronique.
Le carbure de silicium est considéré comme un matériau à large bande interdite puisque les bandes interdites électroniques des différents polytypes vont de 2,4 eV à 3,3 eV (cf, silicium avec une bande interdite de 1,1 eV).
À certains égards, une telle gamme de bandes interdites est inattendue, en particulier lorsque les structures cristallines des polytypes ne diffèrent que par la séquence d'empilement de bicouches par ailleurs identiques.
La recherche de ces dernières années a permis le développement de techniques de traitement permettant de modifier avec succès les propriétés matérielles du carbure de silicium pour l'électronique, en particulier l'électronique de puissance et les capteurs.
De plus, le carbure de silicium est couramment utilisé comme matériau de substrat pour les diodes électroluminescentes où le CARBURE DE SILICIUM agit comme une base sur laquelle des couches optiquement actives peuvent être développées.
Cette croissance utilise la correspondance étroite du réseau entre le SiC 6H, le nitrure de gallium et la conductivité thermique élevée du SiC pour éliminer la chaleur générée dans la LED.
Les capteurs de gaz sont une application où le carbure de silicium a un impact important.
Sa large bande interdite lui confère une très faible concentration de porteurs intrinsèques, ce qui rend possible la détection dans des gaz très chauds, tels que les polluants rejetés dans les moteurs à combustion et les émissions sulfureuses des évents volcaniques.
Un capteur de gaz au carbure de silicium typique mesure environ 100 μm de diamètre et une fraction de millimètre d'épaisseur, et est généralement basé sur un condensateur (structure MIS) avec un contact catalytique.
La couche diélectrique permet à ces dispositifs de fonctionner à des températures supérieures à 900°C,14 en séparant le métal du carbure de silicium.
Dans cette technologie, les couches diélectriques sont généralement des matériaux d'oxyde métallique tels que TiO2, qui peuvent être déposés de diverses manières, y compris l'oxydation in situ des couches métalliques ou des techniques plus sophistiquées telles que le dépôt atomique ultérieur avec des précurseurs pertinents.
Lorsque la surface métallique est exposée à un mélange gazeux, le CARBURE DE SILICIUM accélère la décomposition des molécules de gaz, libérant des ions qui modifient les propriétés électriques de l'appareil.
Pour l'hydrogène et les molécules contenant de l'hydrogène, les atomes d'hydrogène peuvent diffuser facilement à travers des contacts catalytiques épais ou denses pour former la couche chargée après la décomposition de la molécule de gaz qui se produit à des températures supérieures à 150 ° C dans l'échelle de temps inférieure à la milliseconde.
La réponse du capteur peut être mesurée via un certain nombre de méthodes, notamment : le décalage de capacité, le décalage de tension nécessaire pour maintenir la capacité ou le courant de fuite à travers les couches diélectriques.
La vitesse de réponse électrique élevée rend les capteurs en carbure de silicium adaptés à la détection d'espèces gazeuses dans des environnements à variation rapide, tels que près de la région du collecteur dans les échappements de voiture, contrairement aux capteurs conventionnels à base de céramique, qui ont un temps de réponse de l'ordre de 10 secondes sous ces conditions.

Choix préféré pour les applications exigeantes
La microstructure et les excellentes propriétés physiques des matériaux en carbure de silicium 3M™ lui permettent de résister à certaines des conditions les plus exigeantes dans une grande variété d'industries. Les composants en carbure de silicium 3M ont d'excellents antécédents au fil des décennies d'utilisation, et les applications de ces matériaux polyvalents continuent de se développer. Nos scientifiques expérimentés travaillent pour développer des solutions à base de céramique adaptées aux besoins des clients.

Durable dans des conditions extrêmes
les matériaux en carbure de silicium offrent des performances tribologiques sous forte charge, y compris la pression, la vitesse de glissement et la température.
Les composants fabriqués à partir de CARBURE DE SILICIUM offrent une longue durée de vie grâce à la haute résistance à l'usure des CARBURES DE SILICIUM, à la résistance à la corrosion dans les milieux agressifs et à la résistance aux chocs thermiques avec une faible distorsion sous charges thermiques.

La nuance résistante à la corrosion
Carbure de silicium Grade C
La résistance à la corrosion est un problème particulier lorsque des produits chimiques agressifs ou de l'eau chaude sont transférés, par exemple par des pompes de circulation. Le carbure de silicium grade C 3M s'est avéré très efficace dans les environnements corrosifs.

Les grades à haute résistance
Carbure de silicium Grade F plus et Grade T plus
Deux matériaux à haute densité permettent d'obtenir la résistance optimale pour le carbure de silicium. Ces nuances non poreuses à grain fin sont conçues pour offrir une résistance mécanique et une stabilité des arêtes très élevées. Le carbure de silicium 3M grade F plus et grade T plus sont des matériaux idéaux pour les sollicitations thermiques et mécaniques complexes.

Les nuances tribologiques
Carbure de silicium Grade P et Grade G
Ces nuances offrent des propriétés améliorées de fonctionnement à sec et de friction mixte qui sont particulièrement utiles dans les systèmes de glissement et de friction.

Propriétés chimiques et physiques

Nom de la propriété et valeur de la propriété
Poids moléculaire : 40,096
Nombre de donneurs d'obligations hydrogène : 0
Nombre d'accepteurs de liaison hydrogène : 1
Nombre d'obligations rotatives : 0
Masse exacte : 39,976926534
Masse monoisotopique : 39,976926534
Surface polaire topologique : 0 Å ²
Nombre d'atomes lourds : 2
Charge formelle : 0
Complexité : 10
Nombre d'atomes isotopiques : 0
Nombre de stéréocentres atomiques définis : 0
Nombre de stéréocentres d'atomes non définis : 0
Nombre de stéréocentres de liaison définis : 0
Nombre de stéréocentres de liaison indéfini : 0
Nombre d'unités liées par covalence : 1
Le composé est canonisé : Oui

Faible densité : (3,07 à 3,15 g/cm3)
Dureté élevée : (HV10 ≥ 22 GPa)
Module d'Young élevé : (380 à 430 MPa)
Haute conductivité thermique : (120 à 200 W/mK)
Faible coefficient de dilatation linéaire : (3,6 à 4,1x10-6/K de 20 à 400°C)
Température maximale de fonctionnement du SSiC sous gaz inerte : 1 800°C
Excellente résistance aux chocs thermiques du SiSiC : ΔT 1 100 K
Érodable
Résistant à la corrosion et à l'usure même à des températures élevées

Les propriétés fascinantes du SiC
Le SiC, également connu sous le nom de carborundum, est une combinaison de silicium et de carbure dans une structure cristalline, et il existe environ 250 formes cristallines différentes dans lesquelles le SiC peut être trouvé.
Le carbure de silicium peut prendre de nombreuses formes différentes : des grains individuels de SiC peuvent être frittés ensemble pour former des céramiques solides ; des fibres de SiC peuvent être ajoutées à une matrice polymère pour former un matériau composite, et de gros cristaux individuels de silicone peuvent être cultivés pour être utilisés dans des applications de semi-conducteurs.
Le SiC apparaît également dans la nature, bien que rarement, sous la forme du minéral moissanite.

Léger et stable
Le SiC a une masse volumique moyenne de l'ordre de 3 g/cm3, ce qui le rend relativement léger.
Le CARBURE DE SILICIUM est chimiquement inerte et résistant à la corrosion, et le CARBURE DE SILICIUM n'est attaqué par aucun acide, sel fondu ou alcali, même lorsqu'il est exposé à des températures allant jusqu'à 800°C.
Le SiC est un matériau extrêmement dur et résistant (ce qui est logique compte tenu de l'application des CARBURES DE SILICIUM en tant que matériau abrasif).
SiC a un très faible coefficient de dilatation thermique, ce qui signifie que même lorsqu'il est exposé à des changements de température extrêmes, le CARBURE DE SILICIUM reste dimensionnellement stable (par exemple, le CARBURE DE SILICIUM ne se dilatera pas de manière significative lorsqu'il est exposé à la chaleur ou ne se contractera pas de manière significative lorsqu'il est exposé au froid).
Le CARBURE DE SILICIUM possède également une excellente résistance aux chocs thermiques.
Une Matière Sublime
L'une des propriétés les plus fascinantes du carbure de silicium est qu'il est capable de sublimation : lorsque les températures sont suffisamment élevées, le SiC saute la forme liquide et passe directement à une forme gazeuse.
Cela signifie que le CARBURE DE SILICIUM se transforme en vapeur au lieu de fondre.
La température de sublimation du carbure de silicium (où se produit cette transition solide-vapeur) est d'environ 2700°C (soit environ la moitié de la température de surface du soleil).
En tant que matériau semi-conducteur, la conductivité métallique peut être obtenue par dopage important avec de l'azote, de l'aluminium ou du bore.
Le CARBURE DE SILICIUM peut être dopé de type n par du phosphore ou de l'azote et de type p par du gallium, de l'aluminium, du bore ou du béryllium.

Les nombreuses applications du carbure de silicium
Outre ses applications dans les semi-conducteurs, le SiC est également utilisé pour les CARBURES DE SILICIUM tels que les gilets pare-balles, les plaques en céramique, la pyrométrie à filament mince, les creusets de fonderie et les embrayages de voiture. En termes d'applications électriques, l'une des premières utilisations du CARBURE DE SILICIUM était comme parafoudre dans un système d'alimentation à haute tension, car les ingénieurs et les scientifiques ont reconnu que le carbure de silicium fonctionne bien même en présence de hautes tensions et de hautes températures. Les applications plus modernes du carbure de silicium dans l'électronique comprennent les diodes Schottky, les MOSFET et l'électronique de puissance.
Que le CARBURE DE SILICIUM soit utilisé comme matériau de polissage abrasif ou comme semi-conducteur pour une diode Schottky, le SiC est certainement robuste et polyvalent.
La sublimation, l'extrême inertie chimique et la résistance à la corrosion, les excellentes propriétés thermiques et la capacité du CARBURE DE SILICIUM à croître sous forme de structure monocristalline ne sont que quelques-unes de ses propriétés exceptionnelles.

Description physique
Le carbure de silicium se présente sous forme de cristaux irisés jaunes à verts à noir bleuâtre.
Sublimes avec décomposition à 2700°C.
Densité 3,21 g cm-3. Insoluble dans l'eau.
Soluble dans les alcalis fondus (NaOH, KOH) et le fer fondu.

Couleur/Forme
EXCÉDENT DUR, CRISTAUX VERTS À NOIR BLEU, IRISÉS ET COUPANTS
HEXAGONAL OU CUBIQUE
Cristaux irisés jaune à vert à noir bleuté.

Point de fusion
-4892 °F (Sublimes) (NIOSH, 2016)
-2600°C
-4892°F (sublimes)

Le Bureau des technologies de l'énergie solaire (SETO) soutient des projets de recherche et développement qui font progresser la compréhension et l'utilisation du carbure de silicium semi-conducteur (SiC).
Le SiC est utilisé dans les appareils électroniques de puissance, comme les onduleurs, qui fournissent l'énergie des panneaux photovoltaïques (PV) au réseau électrique, et d'autres applications, comme les échangeurs de chaleur dans les centrales solaires à concentration (CSP) et les véhicules électriques.
Lorsque les modules photovoltaïques génèrent de l'électricité, l'énergie circule d'abord à travers un dispositif électronique de puissance qui contient un semi-conducteur.
Jusqu'en 2011 environ, le silicium était le semi-conducteur préféré utilisé pour fabriquer ces dispositifs, mais la recherche a montré que le SiC peut être plus petit, plus rapide, plus résistant, plus efficace et plus rentable.
Le SiC supporte des températures et des tensions plus élevées que le silicium, ce qui en fait un composant d'onduleur plus fiable et polyvalent.
Les onduleurs convertissent le courant continu généré par les panneaux solaires en courant alternatif compatible avec le réseau.
Au cours du processus de conversion, une partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur.
Les onduleurs au silicium à la pointe de la technologie fonctionnent à 98 % d'efficacité, tandis que les onduleurs SiC peuvent fonctionner à environ 99 % sur des niveaux de puissance étendus et peuvent produire une fréquence de qualité optimale.
Alors que l'augmentation de 1 % de l'efficacité peut sembler faible, le CARBURE DE SILICIUM représente une réduction de 50 % des pertes d'énergie.
Avec 60 gigawatts d'énergie solaire installés aux États-Unis, une augmentation de 1 % de l'efficacité équivaudrait à 600 mégawatts d'énergie solaire supplémentaire chaque année et à des économies de coûts sur la durée de vie de l'appareil.

Avantages du carbure de silicium
Le SiC a un avantage sur le silicium car le CARBURE DE SILICIUM permet :
Températures plus élevées : les dispositifs d'électronique de puissance à base de SiC peuvent théoriquement supporter des températures allant jusqu'à 300° Celsius, tandis que les dispositifs en silicium sont généralement limités à 150°C.
Tension plus élevée : par rapport aux dispositifs en silicium, les dispositifs SiC peuvent tolérer près de 10 fois la tension, absorber plus de courant et évacuer plus de chaleur du système énergétique.
Commutation plus rapide : un appareil électronique de puissance a besoin d'un interrupteur qui s'allume pour convertir la basse tension en tension plus élevée.
Le SiC peut s'allumer et s'éteindre rapidement, et bien qu'une certaine quantité d'énergie soit perdue pendant la commutation, une commutation plus rapide limite cette perte et améliore l'efficacité de l'appareil.
Équipement moins coûteux : SiC se traduit par des coûts de système inférieurs car le CARBURE DE SILICIUM permet des équipements plus petits et plus abordables.
Par exemple, le dissipateur thermique, qui protège le reste des composants en absorbant l'excès de chaleur, peut être plus petit car avec moins de perte d'énergie, moins de chaleur est produite.

L'avantage du large bande
Un attribut est responsable de ces avantages : la large bande interdite du SiC.
La bande interdite est une mesure de l'énergie qui signifie la distance entre deux états - le point de départ d'un électron dans la bande de valence, qui est l'état de non-conduction, et le niveau auquel il doit se déplacer pour que l'électricité circule.
La large bande interdite permet une haute tension, ce qui signifie que le SiC peut mieux tolérer les pointes de tension, et comme les appareils peuvent être plus fins, ils fonctionnent plus rapidement.

Axes de recherche sur le solaire et le carbure de silicium
Les onduleurs et autres dispositifs électroniques de puissance sont traités sur des tranches, de la même manière que la construction de circuits intégrés sur silicium.
Et tout comme le silicium, au fil du temps, la taille des plaquettes a augmenté, ce qui permet au CARBURE DE SILICIUM de traiter plus de circuits par lot et de réduire les coûts.
Le coût d'une plaquette de 4 pouces a diminué de moitié entre 2009 et 2012 grâce en partie à des améliorations de fabrication et à un taux plus élevé de SILICON CARBIDEion.
Dans le même temps, les ventes de dispositifs SiC ont plus que triplé.
Vers 2015, la taille typique des tranches a augmenté à environ 6 pouces de diamètre.
Aujourd'hui, les chercheurs travaillent à étendre l'utilisation du SiC au réseau national en développant des dispositifs d'électronique de puissance qui relient les lignes de distribution aux lignes de transmission.
Cela pourrait potentiellement supprimer d'énormes transformateurs et économiser de l'énergie.
Le SiC pourrait également économiser de l'énergie dans d'autres domaines, en particulier dans l'électrification des transports.
En 2017, SETO a lancé un programme de financement pour examiner certaines de ces questions.
Les lauréats de Advanced Power Electronics Design for Solar Applications ont plusieurs projets impliquant du carbure de silicium :
Flex Power Control, Inc.
Université d'État de Caroline du Nord
Laboratoire national d'Oak Ridge
Université de l'Arkansas
Université du Texas à Austin
Université de Washington

Certains de ces projets se concentrent sur la fabrication d'onduleurs et de convertisseurs qui durent plus longtemps, fonctionnent plus efficacement et réduisent les coûts.
D'autres renforcent l'intégration du réseau en concevant des dispositifs capables de se connecter à des dispositifs de stockage d'énergie ou de gestion de la charge, de détecter et de répondre à un courant anormal ou de rétablir rapidement l'alimentation après une panne.
Grâce à ce travail, SETO vise à développer des outils qui aident les opérateurs de réseau à mieux contrôler la production solaire, permettent la livraison de l'énergie solaire via des micro-réseaux, augmentent la résilience du réseau et améliorent la fiabilité solaire pour les clients.
En outre, trois demi-finalistes du premier tour de l'American-Made Solar Prize, un concours visant à revitaliser la fabrication solaire aux États-Unis, développent des dispositifs SiC : Infineon Technologies America travaille sur un convertisseur de 1 500 volts, BREK Electronics travaille sur un convertisseur de 250 volts onduleur de chaîne de kilowatt, et Imagen travaille sur un système de conversion haute fréquence à trois ports.
Le SiC peut également être transformé en céramique pour les applications CSP.
Ces céramiques évacuent bien la chaleur.

Fourni par le déposant Synonymes de CARBURE DE SILICIUM

Carborundum
409-21-2
Monocarbure de silicium
méthanidylidynesilanylium
Carbure de silicium (SiC)
Whiskers en carbure de silicium
Poudre de carbure de silicium
MFCD00049531
Carborundeum
Tokawhisker
Bétarundum
Carbonon
Nicalon
Silundum
Siliciure de carbone
Vert dense
Bétarundum UF
Carbofrax M
Annanox CK
Bétarundum ST-S
Carbure de silicium, phase bêta
Crystalon 37
Crystalon 39
Betarundu ultrafin
Poudre de micron de carbure de silicium
Hitaceram SC 101
SC 9 (carbure)
Densique C 500
Vert densique GC 800
KZ 3M
KZ 5M
KZ 7M
SCW 1
DU-A 3C
CCRIS 7813
DU-A 1
DU-A 2
DU-A 3
DU-A 4
HSDB 681
SC 9
UC 1
UA 2
UC 3
UA 4
SD-GP 6000
SD-GP 8000
UF 15
EINECS 206-991-8
CS 201
UNII-WXQ6E537EW
YE 5626
carbure de silicium
carbure de silicium
Siliziumkarbid
CG 10000
Carborundum, CP
Carbure de silicium bêta
Carbure de silicium(IV)
Carbure de silicium Alpha
Carbure de silicium, alpha
Carbure de silicium 1-3um
Nanofil de carbure de silicium
SIC B-HP
whiskers en carbure de silicium
[SiC]
Carbure de silicium Non fibreux
Carbure de silicium, fibreux (y compris moustaches)
CE 206-991-8
Carbure de silicium, non fibreux
METHANIDYLIDYNESILICON
Poudre de carbure de silicium nano
Poudre fine de carbure de silicium
Carbure de silicium bêta 0,5 um
WXQ6E537EW
Micronwhisker en carbure de silicium
Nanoparticules de carbure de silicium
Carbure de silicium, -100 mesh
Carbure de silicium, -325 mesh
DTXSID5052751
Poudre submicronique de carbure de silicium
CHEBI:29390
8538AF
Dispersion de nanoparticules de carbure de silicium
92843-12-4
Cibles de pulvérisation de sulfure de magnésium (MgS)
FT-0695130
Carbure de silicium (bêta), SiC, 97,5 % Nano
Carbure de silicium, granulométrie 200-450 mesh
Poudre de carbure de silicium (amorphe), 99+ % Nano
Bêta-Silicium Carbide SiC GRADE B-hp (H?gan?s)
Q412356
Bêta-Silicium Carbide SiC GRADE BF 12 (H?gan?s)
Bêta-Silicium Carbide SiC GRADE BF 17 (H?gan?s)
Carbure de silicium, nanopoudre, granulométrie <100 nm
Carbure de silicium, granulométrie -400 mesh, >=97,5 %
Carbure de silicium alpha SiC, min. 99,8 % (base métallique)
Carbure de silicium, F 100, vert, granulométrie principale 150-106 microns
Carbure de silicium, F 1000, vert, granulométrie principale 16-0,2 micron
Carbure de silicium, F 150, vert, taille des particules principales 106-63 microns
Carbure de silicium, F 280, vert, granulométrie principale 89-23 microns
Carbure de silicium, F 360, vert, granulométrie principale 61-12 microns
Carbure de silicium, F 40, vert, granulométrie principale 500-355 microns
Carbure de silicium, F 400, vert, granulométrie principale 49-8 microns
Carbure de silicium, F 60, vert, granulométrie principale 425-180 microns
Carbure de silicium, F 600, vert, granulométrie principale 29-2 microns
Carbure de silicium, F 800, vert, granulométrie principale 22-1,3 micron
Carbure de silicium bêta SiC, pureté maximale min. 99.995% (base métal)
Carbure de silicium, F 1200, vert, granulométrie principale 11,4-0,2 micron
STARCERAM ? S, carbure de silicium, (rtp), grade HQ (KYOCERA Fineceramics)
STARCERAM ? S, carbure de silicium, (rtp), grade HQ-F (KYOCERA Fineceramics)
STARCERAM ? S, carbure de silicium, (rtp), grade RQ (KYOCERA Fineceramics)
STARCERAM ? S, carbure de silicium, (rtp), grade SQ (KYOCERA Fineceramics)
Cible de pulvérisation en carbure de silicium, 25,4 mm (1,0 pouce) de diamètre x 3,18 mm (0,125 pouce) d'épaisseur
Cible de pulvérisation en carbure de silicium, 50,8 mm (2,0 pouces) de diamètre x 3,18 mm (0,125 pouces) d'épaisseur
Cible de pulvérisation en carbure de silicium, 50,8 mm (2,0 pouces) de diamètre x 6,35 mm (0,250 pouces) d'épaisseur
Cible de pulvérisation en carbure de silicium, 76,2 mm (3,0 pouces) de diamètre x 3,18 mm (0,125 pouces) d'épaisseur
Cible de pulvérisation en carbure de silicium, 76,2 mm (3,0 pouces) de diamètre x 6,35 mm (0,250 pouces) d'épaisseur
Carbure de silicium, nanofibre, D <2,5 mum, L/D >= 20, 98 % de métaux traces
STARCERAM ? S UF, carbure de silicium, SiC Grade UF-05 (KYOCERA Fineceramics)
STARCERAM ? S UF, carbure de silicium, SiC Grade UF-10 (KYOCERA Fineceramics)
STARCERAM ? S UF, carbure de silicium, SiC Grade UF-15 (KYOCERA Fineceramics)
STARCERAM ? S UF, carbure de silicium, SiC Grade UF-25 (KYOCERA Fineceramics)