Carboneto de silício - Silicon carbide

Carboneto de silício
Amostra de carboneto de silício como boule
Nomes
Nome IUPAC preferido
Carboneto de silício
Outros nomes
Carborundum
Moissanite
Identificadores
Modelo 3D ( JSmol )
ChEBI
ChemSpider
ECHA InfoCard 100,006,357 Edite isso no Wikidata
Número EC
13642
Malha Silício + carboneto
Número RTECS
UNII
  • InChI = 1S / CSi / c1-2 VerificaY
    Chave: HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N VerificaY
  • Chave: HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYAF
  • InChI = 1 / CSi / c1-2
  • [C -] # [Si +]
Propriedades
C Si
Massa molar 40,096  g · mol −1
Aparência Cristais iridescentes de amarelo a verde a preto-azulado
Densidade 3,16 g⋅cm −3 (hex.)
Ponto de fusão 2.830 ° C (5.130 ° F; 3.100 K) (decompõe-se)
Solubilidade Insolúvel em água, solúvel em álcalis fundidos e ferro fundido
Mobilidade de elétrons ~ 900 cm 2 / (V⋅s) (todos os politipos)
−12,8 × 10 −6  cm 3 / mol
2,55 (infravermelho; todos os politipos)
Perigos
Não listado
NFPA 704 (diamante de fogo)
1
0
0
NIOSH (limites de exposição à saúde dos EUA):
PEL (permitido)
TWA 15 mg / m 3 (total) TWA 5 mg / m 3 (resp)
REL (recomendado)
TWA 10 mg / m 3 (total) TWA 5 mg / m 3 (resp)
IDLH (perigo imediato)
WL
Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referências da Infobox

Carboneto de silício ( SiC ), também conhecido como carborundum ( / ˌ k ɑr b ə r ʌ n d əm / ), é um semicondutor contendo silício e carbono . Ocorre na natureza como o mineral extremamente raro moissanita . O pó de SiC sintético é produzido em massa desde 1893 para uso como abrasivo . Grãos de carboneto de silício podem ser unidos por sinterização para formar cerâmicas muito duras que são amplamente utilizadas em aplicações que exigem alta resistência, como freios de carros, embreagens de carros e placas de cerâmica em coletes à prova de balas . Aplicações eletrônicas de carboneto de silício, como diodos emissores de luz (LEDs) e detectores nos primeiros rádios, foram demonstradas pela primeira vez por volta de 1907. O SiC é usado em dispositivos eletrônicos semicondutores que operam em altas temperaturas ou altas tensões, ou ambos. Grandes cristais únicos de carboneto de silício podem ser cultivados pelo método Lely e podem ser cortados em gemas conhecidas como moissanita sintética.

História

Ocorrência natural

Cristal único de moissanite (≈1 mm de tamanho)

A moissanita de ocorrência natural é encontrada em quantidades mínimas em certos tipos de meteorito e em depósitos de corindo e kimberlito . Praticamente todo o carboneto de silício vendido no mundo, incluindo joias de moissanita, é sintético . A moissanita natural foi encontrada pela primeira vez em 1893 como um pequeno componente do meteorito Canyon Diablo no Arizona pelo Dr. Ferdinand Henri Moissan , que deu o nome ao material em 1905. A descoberta de Moissan de SiC de ocorrência natural foi inicialmente contestada porque sua amostra pode ter sido contaminada por lâminas de serra de carboneto de silício que já estavam no mercado naquela época.

Embora raro na Terra, o carboneto de silício é notavelmente comum no espaço. É uma forma comum de poeira estelar encontrada em torno de estrelas ricas em carbono , e exemplos dessa poeira estelar foram encontrados em condições primitivas em meteoritos primitivos (inalterados). O carboneto de silício encontrado no espaço e em meteoritos é quase exclusivamente o beta-polimorfo . A análise dos grãos de SiC encontrados no meteorito Murchison , um meteorito condrito carbonáceo , revelou razões isotópicas anômalas de carbono e silício, indicando que esses grãos se originaram fora do sistema solar.

Primeiros experimentos

Sínteses não sistemáticas, menos reconhecidas e frequentemente não verificadas de carboneto de silício incluem:

  • César-Mansuète Despretz está passando uma corrente elétrica por uma haste de carbono incrustada na areia (1849)
  • A dissolução de sílica em prata derretida por Robert Sydney Marsden em um cadinho de grafite (1881)
  • O aquecimento de Paul Schuetzenberger de uma mistura de silício e sílica em um cadinho de grafite (1881)
  • O aquecimento de silício de Albert Colson sob uma corrente de etileno (1882).

Produção em larga escala

Uma replicação dos experimentos de LED de HJ Round

A produção em larga escala é creditada a Edward Goodrich Acheson em 1890. Acheson estava tentando preparar diamantes artificiais quando aqueceu uma mistura de argila (silicato de alumínio) e coque em pó (carbono) em uma tigela de ferro. Ele chamou os cristais azuis que formaram o carborundo , acreditando ser um novo composto de carbono e alumínio, semelhante ao corindo . Moissan também sintetizou SiC por várias rotas, incluindo a dissolução de carbono no silício fundido, fundindo uma mistura de carboneto de cálcio e sílica e reduzindo a sílica com carbono em um forno elétrico.

Acheson patenteou o método para fazer pó de carboneto de silício em 28 de fevereiro de 1893. Acheson também desenvolveu o forno elétrico de batelada pelo qual o SiC ainda é feito hoje e formou a Carborundum Company para fabricar SiC a granel, inicialmente para uso como abrasivo. Em 1900, a empresa fez um acordo com a Electric Smelting and Aluminium Company, quando a decisão de um juiz deu "ampla prioridade" aos seus fundadores "para a redução de minérios e outras substâncias pelo método incandescente". Diz-se que Acheson estava tentando dissolver o carbono no corindo derretido ( alumina ) e descobriu a presença de cristais duros e preto-azulados que ele acreditava serem um composto de carbono e corindo: daí o carborundo. Pode ser que ele tenha chamado o material de "carborundo" por analogia ao corindo, que é outra substância muito dura (9 na escala de Mohs ).

O primeiro uso do SiC foi como abrasivo. Isso foi seguido por aplicativos eletrônicos. No início do século 20, o carboneto de silício foi usado como detector nos primeiros rádios. Em 1907, Henry Joseph Round produziu o primeiro LED aplicando uma voltagem a um cristal de SiC e observando a emissão amarela, verde e laranja no cátodo. O efeito foi mais tarde redescoberto por OV Losev na União Soviética em 1923.


Produção

Cristais sintéticos de SiC com ~ 3 mm de diâmetro

Como a moissanita natural é extremamente escassa, a maior parte do carboneto de silício é sintética. O carboneto de silício é usado como abrasivo, bem como semicondutor e simulador de diamante de qualidade para gema. O processo mais simples para fabricar carboneto de silício é combinar areia de sílica e carbono em um forno de resistência elétrica de grafite Acheson em alta temperatura, entre 1.600 ° C (2.910 ° F) e 2.500 ° C (4.530 ° F). Partículas finas de SiO 2 em material vegetal (por exemplo, cascas de arroz) podem ser convertidas em SiC pelo aquecimento do excesso de carbono do material orgânico. A sílica ativa , que é um subproduto da produção de silício metálico e ligas de ferrossilício, também pode ser convertida em SiC por aquecimento com grafite a 1.500 ° C (2.730 ° F).

O material formado no forno Acheson varia em pureza, de acordo com sua distância da fonte de calor do resistor de grafite . Cristais incolores, amarelos claros e verdes têm a pureza mais alta e são encontrados mais próximos do resistor. A cor muda para azul e preto a uma distância maior do resistor, e esses cristais mais escuros são menos puros. O nitrogênio e o alumínio são impurezas comuns e afetam a condutividade elétrica do SiC.

Cristais sintéticos de SiC Lely

O carboneto de silício puro pode ser feito pelo processo Lely , no qual o pó de SiC é sublimado em espécies de alta temperatura de silício, carbono, dicarbeto de silício (SiC 2 ) e carboneto de dissilício (Si 2 C) em um ambiente de gás argônio a 2500 ° C e redepositado em cristais únicos em forma de flocos, com tamanho de até 2 × 2 cm, em um substrato ligeiramente mais frio. Este processo produz cristais únicos de alta qualidade, principalmente da fase 6H-SiC (por causa da alta temperatura de crescimento).

Um processo Lely modificado envolvendo aquecimento por indução em cadinhos de grafite produz cristais únicos ainda maiores de 4 polegadas (10 cm) de diâmetro, tendo uma seção 81 vezes maior em comparação com o processo Lely convencional.

O SiC cúbico é normalmente cultivado pelo processo mais caro de deposição química de vapor (CVD) de silano, hidrogênio e nitrogênio. Camadas de SiC homoepitaxial e heteroepitaxial podem ser cultivadas empregando abordagens de fase gasosa e líquida.

Para formar o SiC de forma complexa, os polímeros pré-cerâmicos podem ser usados ​​como precursores que formam o produto cerâmico por meio da pirólise em temperaturas na faixa de 1000–1100 ° C. Os materiais precursores para obter carboneto de silício de tal maneira incluem policarbossilanos, poli (metilsilina) e polissilazanos. Os materiais de carboneto de silício obtidos através da pirólise de polímeros pré-cerâmicos são conhecidos como cerâmicas derivadas de polímeros ou PDCs. A pirólise de polímeros pré-cerâmicos é mais frequentemente conduzida sob uma atmosfera inerte a temperaturas relativamente baixas. Em relação ao processo CVD, o método de pirólise é vantajoso porque o polímero pode ser formado em várias formas antes da termalização na cerâmica.

O SiC também pode ser transformado em wafers cortando um único cristal com uma serra de fio diamantada ou com um laser. SiC é um semicondutor útil usado em eletrônica de potência.

Estrutura e Propriedades

Estrutura dos principais politipos de SiC.
SiC3Cstructure.jpg
SiC4Hstructure.jpg
SiC6Hstructure.jpg
(β) 3C-SiC 4H-SiC (α) 6H-SiC
Carboneto de silício, imagem obtida em microscópio estereoscópico.

O carboneto de silício existe em cerca de 250 formas cristalinas. Através da pirólise de atmosfera inerte de polímeros pré-cerâmicos , o carboneto de silício em uma forma amorfa vítrea também é produzido. O polimorfismo do SiC é caracterizado por uma grande família de estruturas cristalinas semelhantes chamadas politipos. São variações do mesmo composto químico que são idênticas em duas dimensões e diferem na terceira. Assim, eles podem ser vistos como camadas empilhadas em uma determinada sequência.

O carbeto de silício alfa (α-SiC) é o polimorfo mais comumente encontrado e é formado a temperaturas superiores a 1700 ° C e tem uma estrutura de cristal hexagonal (semelhante à Wurtzita ). A modificação beta (β-SiC), com estrutura de cristal de blenda de zinco (semelhante ao diamante ), é formada em temperaturas abaixo de 1700 ° C. Até recentemente, a forma beta tinha relativamente poucos usos comerciais, embora haja agora um interesse crescente em seu uso como suporte para catalisadores heterogêneos, devido à sua área de superfície maior em comparação com a forma alfa.

Propriedades dos principais politipos de SiC
Polytype 3C (β) 4h 6H (α)
Estrutura de cristal Mistura de zinco (cúbica) Hexagonal Hexagonal
Grupo espacial T 2 d -F 4 3m C 4 6v -P6 3 mc C 4 6v -P6 3 mc
Símbolo Pearson cF8 hP8 hP12
Constantes de rede (Å) 4.3596 3.0730; 10.053 3.0810; 15,12
Densidade (g / cm 3 ) 3,21 3,21 3,21
Bandgap (eV) 2,36 3,23 3,05
Módulo de massa (GPa) 250 220 220
Condutividade térmica (W⋅m −1 ⋅K −1 )

@ 300 K (ver para dependência de temperatura)

360 370 490

O SiC puro é incolor. A cor marrom a preta do produto industrial resulta de impurezas de ferro . O brilho semelhante ao arco-íris dos cristais é devido à interferência de película fina de uma camada de passivação de dióxido de silício que se forma na superfície.

A alta temperatura de sublimação do SiC (aproximadamente 2700 ° C) o torna útil para rolamentos e peças de fornos. O carboneto de silício não derrete em nenhuma temperatura conhecida. Também é altamente inerte quimicamente. Atualmente, há muito interesse em seu uso como material semicondutor em eletrônica, onde sua alta condutividade térmica, alta força de ruptura do campo elétrico e alta densidade de corrente máxima o tornam mais promissor do que o silício para dispositivos de alta potência. O SiC também tem um coeficiente de expansão térmica muito baixo (4,0 × 10 −6 / K) e não experimenta nenhuma transição de fase que causaria descontinuidades na expansão térmica.

Condutividade elétrica

O carboneto de silício é um semicondutor , que pode ser dopado do tipo n com nitrogênio ou fósforo e do tipo p com berílio , boro , alumínio ou gálio . A condutividade metálica foi alcançada por dopagem pesada com boro, alumínio ou nitrogênio.

A supercondutividade foi detectada em 3C-SiC: Al, 3C-SiC: B e 6H-SiC: B na mesma temperatura de 1,5 K. No entanto, uma diferença crucial é observada para o comportamento do campo magnético entre alumínio e boro dopagem: SiC: Al é do tipo II , o mesmo que SiC: B. Pelo contrário, SiC: B é do tipo I . Na tentativa de explicar essa diferença, notou-se que os sítios de Si são mais importantes do que os sítios de carbono para a supercondutividade em SiC. Enquanto o boro substitui o carbono no SiC, o Al substitui os sítios de Si. Portanto, Al e B "veem" diferentes ambientes que podem explicar diferentes propriedades de SiC: Al e SiC: B.

Usos

Ferramentas abrasivas e de corte

Discos de corte feitos de SiC

Nas artes, o carboneto de silício é um abrasivo popular na lapidação moderna devido à durabilidade e ao baixo custo do material. Na fabricação, é usado para a sua dureza em usinagem abrasivos processos tais como moagem , afiar , corte por jacto de água e de jacto de areia . Partículas de carboneto de silício são laminadas em papel para criar lixas e a fita adesiva em skates .

Em 1982, um composto excepcionalmente forte de óxido de alumínio e bigodes de carboneto de silício foi descoberto. O desenvolvimento desse composto produzido em laboratório para um produto comercial levou apenas três anos. Em 1985, as primeiras ferramentas de corte comerciais feitas com este compósito reforçado com bigode de carboneto de silício e alumina foram introduzidas no mercado.

Material estrutural

Carboneto de silício é usado para placas de trauma de coletes balísticos

Nas décadas de 1980 e 1990, o carboneto de silício foi estudado em vários programas de pesquisa para turbinas a gás de alta temperatura na Europa , Japão e Estados Unidos . Os componentes destinavam-se a substituir as lâminas de turbina de superliga de níquel ou palhetas de bico. Porém, nenhum desses projetos resultou em quantidade de produção, principalmente por sua baixa resistência ao impacto e baixa tenacidade à fratura .

Como outras cerâmicas duras (nomeadamente alumina e carboneto de boro ), o carboneto de silício é usado em armaduras compostas (por exemplo, armadura de Chobham ) e em placas de cerâmica em coletes à prova de balas. Dragon Skin , que foi produzido pela Pinnacle Armor , usava discos de carboneto de silício. A resistência à fratura aprimorada na armadura de SiC pode ser facilitada pelo fenômeno de crescimento anormal de grãos ou AGG. O crescimento de grãos de carboneto de silício anormalmente longos pode servir para conferir um efeito de endurecimento por meio de uma ponte entre trinca e esteira, semelhante ao reforço de bigode. Efeitos de endurecimento AGG semelhantes foram relatados em nitreto de silício (Si 3 N 4 ).

O carboneto de silício é usado como suporte e material de prateleira em fornos de alta temperatura, como para cozer cerâmicas, fusão de vidro ou fundição de vidro. As prateleiras dos fornos SiC são consideravelmente mais leves e duráveis ​​do que as prateleiras tradicionais de alumina.

Em dezembro de 2015, a infusão de nanopartículas de carboneto de silício em magnésio fundido foi mencionada como uma forma de produzir uma nova liga forte e plástica adequada para uso em aeronáutica, aeroespacial, automotivo e microeletrônica.

Peças automotivas

Freio de disco de cerâmica de carbono (carboneto de silício) do Porsche Carrera GT

O composto de carbono-carbono infiltrado com silício é usado para discos de freio "cerâmicos" de alto desempenho , pois são capazes de suportar temperaturas extremas. O silício reage com o grafite no composto carbono-carbono para se tornar o carboneto de silício reforçado com fibra de carbono (C / SiC). Estes discos de freio são usados ​​em alguns carros esportivos de estrada, supercarros, bem como outros carros de desempenho, incluindo o Porsche Carrera GT , o Bugatti Veyron , o Chevrolet Corvette ZR1 , o McLaren P1 , Bentley , Ferrari , Lamborghini e alguns carros Audi de alto desempenho . O carboneto de silício também é usado em uma forma sinterizada para filtros de partículas de diesel . Também é usado como aditivo de óleo para reduzir o atrito, as emissões e os harmônicos.

Cadinhos de fundição

O SiC é usado em cadinhos para segurar metal fundido em pequenas e grandes aplicações de fundição.

Sistemas elétricos

A primeira aplicação elétrica do SiC foi em pára-raios em sistemas de energia elétrica. Estes dispositivos devem apresentar uma elevada resistência até que a voltagem através deles atinge um determinado limiar V T no ponto em que a sua resistência deve ser reduzida para um nível mais baixo e manter este nível até que a voltagem aplicada desce abaixo de V T .

Foi reconhecido logo no início que o SiC tinha tal resistência dependente da voltagem, e assim as colunas de pellets de SiC foram conectadas entre as linhas de alta voltagem e a terra. Quando um raio na linha aumenta a tensão da linha o suficiente, a coluna de SiC conduz, permitindo que a corrente de ataque passe sem causar danos para a terra em vez de ao longo da linha de energia. As colunas de SiC provaram conduzir significativamente nas tensões normais de operação da linha de alimentação e, portanto, tiveram que ser colocadas em série com um centelhador . Esta centelha é ionizada e tornada condutora quando um raio aumenta a tensão do condutor da linha de força, conectando assim efetivamente a coluna de SiC entre o condutor de força e a terra. Os centelhadores usados ​​em pára-raios não são confiáveis, tanto deixando de abrir um arco quando necessário ou deixando de desligar depois, no último caso devido a falha do material ou contaminação por poeira ou sal. O uso de colunas de SiC foi originalmente planejado para eliminar a necessidade de centelhador em pára-raios. Os pára-raios Gapped SiC foram usados ​​para proteção contra raios e vendidos sob as marcas GE e Westinghouse , entre outras. O pára-raios de SiC com lacuna foi amplamente substituído por varistores sem lacuna que usam colunas de pellets de óxido de zinco .

Elementos de circuito eletrônico

O carboneto de silício foi o primeiro material semicondutor comercialmente importante. Um diodo detector de rádio de cristal "carborundum" (carboneto de silício sintético) foi patenteado por Henry Harrison Chase Dunwoody em 1906. Ele encontrou muito uso inicial em receptores de bordo.

Dispositivos eletrônicos de energia

O carboneto de silício é um semicondutor em pesquisa e produção em massa inicial , proporcionando vantagens para dispositivos rápidos de alta temperatura e / ou alta tensão. Os primeiros dispositivos disponíveis foram diodos Schottky , seguidos por FETs de porta de junção e MOSFETs para comutação de alta potência. Transistores bipolares e tiristores são desenvolvidos atualmente.

Um grande problema para a comercialização de SiC tem sido a eliminação de defeitos: luxações de borda, luxações de parafuso (tanto o núcleo oco quanto fechado), defeitos triangulares e luxações do plano basal. Como resultado, os dispositivos feitos de cristais de SiC exibiram inicialmente um desempenho de bloqueio reverso pobre, embora os pesquisadores tenham tentado encontrar soluções para melhorar o desempenho de quebra. Além da qualidade do cristal, problemas com a interface de SiC com dióxido de silício têm dificultado o desenvolvimento de MOSFETs de energia baseados em SiC e transistores bipolares de porta isolada . Embora o mecanismo ainda não esteja claro, a nitretação reduziu drasticamente os defeitos que causam os problemas de interface.

Em 2008, os primeiros JFETs comerciais classificados em 1200 V foram introduzidos no mercado, seguidos em 2011 pelos primeiros MOSFETs comerciais classificados em 1200 V. JFETs agora estão disponíveis classificados em 650 V a 1700 V com resistência tão baixa quanto 25 mΩ. Ao lado de chaves SiC e diodos SiC Schottky (também diodo de barreira Schottky, SBD ) nos populares pacotes TO-247 e TO-220 , as empresas começaram ainda mais cedo a implementar os chips nus em seus módulos eletrônicos de potência .

Os diodos SiC SBD são amplamente difundidos no mercado, sendo usados ​​em circuitos PFC e módulos de potência IGBT . Conferências como a Conferência Internacional sobre Sistemas Integrados de Eletrônica de Energia (CIPS) relatam regularmente sobre o progresso tecnológico dos dispositivos de energia SiC. Os principais desafios para liberar totalmente os recursos dos dispositivos de energia SiC são:

  • Gate drive: Dispositivos SiC geralmente requerem níveis de tensão de gate drive que são diferentes de suas contrapartes de silício e podem ser até assimétricos, por exemplo, +20 V e −5 V.
  • Embalagem: Os chips de SiC podem ter uma densidade de potência mais alta do que os dispositivos de potência de silício e são capazes de lidar com temperaturas mais altas que excedem o limite de silício de 150 ° C. Novas tecnologias de fixação de matrizes, como sinterização, são necessárias para obter com eficiência o calor dos dispositivos e garantir uma interconexão confiável.
LED ultravioleta

LEDs

O fenômeno da eletroluminescência foi descoberto em 1907 usando carboneto de silício e os primeiros LEDs comerciais eram baseados em SiC. Os LEDs amarelos feitos de 3C-SiC foram fabricados na União Soviética na década de 1970 e os LEDs azuis (6H-SiC) em todo o mundo na década de 1980.

A produção de LEDs logo parou quando um material diferente, o nitreto de gálio , apresentou uma emissão de 10 a 100 vezes mais brilhante. Essa diferença de eficiência se deve ao bandgap indireto desfavorável do SiC, enquanto o GaN possui um bandgap direto que favorece a emissão de luz. No entanto, o SiC ainda é um dos componentes LED importantes - é um substrato popular para o crescimento de dispositivos GaN e também serve como dissipador de calor em LEDs de alta potência.

Astronomia

O baixo coeficiente de expansão térmica, alta dureza, rigidez e condutividade térmica tornam o carboneto de silício um material de espelho desejável para telescópios astronômicos . A tecnologia de crescimento ( deposição de vapor químico ) foi ampliada para produzir discos de carboneto de silício policristalino de até 3,5 m (11 pés) de diâmetro, e vários telescópios como o Telescópio Espacial Herschel já estão equipados com ótica SiC, bem como o espaço Gaia os subsistemas da nave espacial do observatório são montados em uma estrutura rígida de carboneto de silício, que fornece uma estrutura estável que não se expande ou contrai devido ao calor.

Pirometria de filamento fino

Teste as fibras de SiC em chamas e brilhantes. A chama tem cerca de 7 cm (2,8 pol.) De altura.

As fibras de carboneto de silício são usadas para medir a temperatura do gás em uma técnica óptica chamada pirometria de filamento fino. Envolve a colocação de um filamento fino em uma corrente de gás quente. As emissões radiativas do filamento podem ser correlacionadas com a temperatura do filamento. Os filamentos são fibras de SiC com diâmetro de 15 micrômetros, cerca de um quinto do diâmetro de um fio de cabelo humano. Como as fibras são muito finas, elas pouco perturbam a chama e sua temperatura permanece próxima à do gás local. As temperaturas de cerca de 800–2500 K podem ser medidas.

Elementos de aquecimento

Referências a elementos de aquecimento de carboneto de silício existem desde o início do século 20, quando foram produzidos pela Carborundum Co. da Acheson nos Estados Unidos e pela EKL em Berlim. O carboneto de silício ofereceu maiores temperaturas de operação em comparação com aquecedores metálicos. Os elementos de carboneto de silício são usados ​​hoje na fusão de vidro e metais não ferrosos, tratamento térmico de metais, produção de vidro float , produção de cerâmica e componentes eletrônicos, ignitores em lâmpadas piloto para aquecedores a gás, etc.

Partículas de combustível nuclear e revestimento

O carboneto de silício é um material importante no TRISO revestidas com partículas de combustível, o tipo de combustível nuclear encontrada no gás de alta temperatura que se reactores , tais como o reactor de leito Pebble . Uma camada de carboneto de silício fornece suporte estrutural às partículas de combustível revestidas e é a principal barreira de difusão para a liberação de produtos de fissão.

O material compósito de carboneto de silício foi investigado para uso como substituto do revestimento de Zircaloy em reatores de água leve . Uma das razões para esta investigação é que Zircaloy experimenta fragilização por hidrogênio como consequência da reação de corrosão com a água. Isso produz uma redução na tenacidade à fratura com o aumento da fração volumétrica de hidretos radiais. Este fenômeno aumenta drasticamente com o aumento da temperatura em detrimento do material. O revestimento de carboneto de silício não sofre essa mesma degradação mecânica, mas, em vez disso, mantém as propriedades de resistência com o aumento da temperatura. O composto consiste em fibras de SiC enroladas em torno de uma camada interna de SiC e rodeadas por uma camada externa de SiC. Foram relatados problemas com a capacidade de juntar as peças do composto de SiC.

Jóia

Um anel de noivado de moissanite

Como uma gema usada em joias , o carboneto de silício é chamado de "moissanita sintética" ou apenas "moissanita" após o nome do mineral. A moissanita é semelhante ao diamante em vários aspectos importantes: é transparente e dura (9–9,5 na escala de Mohs , em comparação com 10 para o diamante), com um índice de refração entre 2,65 e 2,69 (em comparação com 2,42 para o diamante). A moissanita é um pouco mais dura do que a zircônia cúbica comum . Ao contrário do diamante, a moissanita pode ser fortemente birrefringente . Por esse motivo, as joias de moissanita são cortadas ao longo do eixo óptico do cristal para minimizar os efeitos birrefringentes. É mais leve (densidade 3,21 g / cm 3 vs. 3,53 g / cm 3 ) e muito mais resistente ao calor do que o diamante. Isso resulta em uma pedra de maior brilho , facetas mais nítidas e boa resiliência. Pedras de moissanita soltas podem ser colocadas diretamente em moldes de anel de cera para fundição por cera perdida, assim como o diamante, já que a moissanita permanece intacta por temperaturas de até 1.800 ° C (3.270 ° F). A moissanita se tornou popular como um substituto do diamante e pode ser erroneamente identificada como diamante, uma vez que sua condutividade térmica está mais próxima do diamante do que qualquer outro substituto. Muitos dispositivos de teste térmico de diamante não conseguem distinguir a moissanita do diamante, mas a gema é distinta em sua birrefringência e em uma fluorescência verde ou amarela muito leve sob luz ultravioleta. Algumas pedras de moissanita também têm inclusões curvas, semelhantes a fios, o que os diamantes nunca têm.

Produção de aço

Pedaço de carboneto de silício usado na fabricação de aço

O carboneto de silício, dissolvido em um forno de oxigênio básico usado para fazer aço , atua como combustível . A energia adicional liberada permite que o forno processe mais sucata com a mesma carga de metal quente. Também pode ser usado para aumentar as temperaturas da torneira e ajustar o teor de carbono e silício. O carboneto de silício é mais barato do que uma combinação de ferrossilício e carbono, produz um aço mais limpo e reduz as emissões devido aos baixos níveis de oligoelementos , tem um baixo teor de gás e não diminui a temperatura do aço.

Suporte de catalisador

A resistência natural à oxidação exibida pelo carbeto de silício, bem como a descoberta de novas formas de sintetizar a forma cúbica do β-SiC, com sua maior área superficial, tem suscitado significativo interesse em sua utilização como suporte catalítico heterogêneo . Essa forma já foi empregada como suporte de catalisador para a oxidação de hidrocarbonetos , como o n- butano , a anidrido maleico .

Gravura Carborundum

O carboneto de silício é usado na impressão de carborundum - uma técnica de impressão por cológrafo . O grão de carborundo é aplicado em pasta na superfície de uma placa de alumínio. Quando a pasta está seca, a tinta é aplicada e presa em sua superfície granular e, em seguida, removida das áreas nuas da placa. A placa de tinta é então impressa em papel em uma prensa rolante usada para impressão em talhe doce . O resultado é uma impressão de marcas pintadas em relevo no papel.

O grão de carborundo também é usado na litografia de pedras. Seu tamanho de partícula uniforme permite que seja usado para "granular" uma pedra que remove a imagem anterior. Em um processo semelhante ao lixamento, o grão mais grosso Carborundum é aplicado à pedra e trabalhado com um Levigator, e então gradualmente um grão cada vez mais fino é aplicado até que a pedra esteja limpa. Isso cria uma superfície sensível à graxa.

Produção de grafeno

O carboneto de silício pode ser usado na produção de grafeno por causa de suas propriedades químicas que promovem a produção epitaxial de grafeno na superfície de nanoestruturas de SiC.

Quando se trata de sua produção, o silício é usado principalmente como substrato para o cultivo do grafeno. Mas, na verdade, existem vários métodos que podem ser usados ​​para cultivar o grafeno no carboneto de silício. O método de crescimento por sublimação controlada por confinamento (CCS) consiste em um chip de SiC que é aquecido sob vácuo com grafite. Em seguida, o vácuo é liberado muito gradualmente para controlar o crescimento do grafeno. Este método produz as camadas de grafeno da mais alta qualidade. Mas outros métodos foram relatados para produzir o mesmo produto também.

Outra maneira de cultivar grafeno seria decompor termicamente o SiC em alta temperatura dentro do vácuo. Mas esse método acaba produzindo camadas de grafeno que contêm grãos menores dentro das camadas. Portanto, houve esforços para melhorar a qualidade e o rendimento do grafeno. Um desses métodos é realizar a grafitização ex situ de SiC terminado em silício em uma atmosfera que consiste em argônio. Este método provou produzir camadas de grafeno com tamanhos de domínio maiores do que a camada que poderia ser obtida por meio de outros métodos. Este novo método pode ser muito viável para fazer grafeno de alta qualidade para uma infinidade de aplicações tecnológicas.

Quando se trata de entender como ou quando usar esses métodos de produção de grafeno, a maioria deles produz ou cultiva principalmente esse grafeno no SiC em um ambiente que permite o crescimento. É utilizado na maioria das vezes em temperaturas bastante mais altas (como 1300˚C) por causa das propriedades térmicas do SiC. No entanto, há certos procedimentos que foram realizados e estudados que podem gerar métodos que usam temperaturas mais baixas para ajudar na fabricação de grafeno. Mais especificamente, observou-se que esta abordagem diferente para o crescimento do grafeno produz grafeno em um ambiente de temperatura de cerca de 750˚C. Este método envolve a combinação de certos métodos, como deposição química de vapor (CVD) e segregação de superfície. E no que diz respeito ao substrato, o procedimento consistiria em revestir um substrato de SiC com filmes finos de um metal de transição. E após o rápido tratamento térmico dessa substância, os átomos de carbono se tornariam mais abundantes na interface da superfície do filme de metal de transição, que então produziria o grafeno. E descobriu-se que esse processo produzia camadas de grafeno mais contínuas em toda a superfície do substrato.

Física quântica

O carboneto de silício pode hospedar defeitos pontuais na estrutura do cristal, que são conhecidos como centros de cor. Esses defeitos podem produzir fótons únicos sob demanda e, portanto, servir como uma plataforma para a fonte de fóton único . Esse dispositivo é um recurso fundamental para muitas aplicações emergentes da ciência da informação quântica. Se alguém bombear um centro de cor por meio de uma fonte óptica externa ou corrente elétrica, o centro de cor será levado ao estado excitado e então relaxará com a emissão de um fóton.

Um defeito pontual bem conhecido no carboneto de silício é a divisão, que tem uma estrutura eletrônica semelhante ao centro de vacância de nitrogênio no diamante. No 4H-SiC, a divacância tem quatro configurações diferentes que correspondem a quatro linhas de zero-fônon (ZPL). Esses valores ZPL são escritos usando a notação V Si -V C e a unidade eV: hh (1.095), kk (1.096), kh (1.119) e hk (1.150).

Guias de vara de pescar

O carboneto de silício é utilizado na fabricação de guias de pesca devido à sua durabilidade e resistência ao desgaste. Os anéis de carboneto de silício são encaixados em uma estrutura de guia, normalmente feita de aço inoxidável ou titânio, que evita que a linha toque na haste em branco. Os anéis fornecem uma superfície de baixo atrito que melhora a distância de fundição ao mesmo tempo em que fornece dureza adequada que evita a abrasão da linha de pesca trançada.

Veja também

Referências

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