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Carbure de silicium

Minéral essen­tiel­le­ment arti­fi­ciel, d’une grande dureté, le car­bure de sili­cium a été pres­que exclu­si­ve­ment uti­lisé comme abra­sif, mais ses appli­ca­tions se diver­si­fient main­te­nant, des maté­riaux haute tem­pé­ra­ture à la joaille­rie, des fibres aux com­po­sants électroniques et opto­élec­tro­ni­ques.

Le car­bure de sili­cium, de for­mule sic, a une masse molaire de 40. Il a été décou­vert, dit-on acci­den­tel­le­ment, par Johan Berzélius en 1824 lors d’une réac­tion d’essai de syn­thèse à haute tem­pé­ra­ture du dia­mant par réac­tion para­site entre le car­bone (cf. Carbone) et la silice (cf. Silice). A la fin du XIXe siècle, le chi­miste amé­ri­cain Edward G. Acheson, grâce à ses tra­vaux, com­prend assez vite l’impor­tance de ce nou­veau pro­duit compte tenu de ses pro­prié­tés méca­ni­ques.

Le car­bure de sili­cium fut com­mer­cia­lisé dès les années 1890 sous le nom com­mer­cial de Carborundum du nom de la com­pa­gnie qu’il avait fondée. Le car­bure de sili­cium natu­rel n’a été ren­contré que dans quel­ques météo­ri­tes et a reçu le nom de mois­sa­nite (cf. H. Moissan), mais, imi­tant le dia­mant (cf. Pierres pré­cieu­ses) par beau­coup de carac­té­ris­ti­ques, est pro­duit à des fins de joaille­rie.

La struc­ture du car­bure de sili­cium est mar­quée comme pour le gra­phite et le dia­mant (cf. Carbone) par l’arran­ge­ment régu­lier de tétra­èdres de sili­cium et de car­bone qui peu­vent s’arran­ger en une struc­ture cubi­que de type ZnS : le β-SiC, mais aussi en des struc­tu­res hexa­go­na­les ou rhom­bo­édri­ques : α-SiC qui est la struc­ture habi­tuelle des hautes tem­pé­ra­tu­res, cepen­dant la struc­ture β-SiC peut être sta­bi­li­sée par de fai­bles quan­ti­tés d’impu­re­tés.

La syn­thèse du car­bure de sili­cium se fait par réac­tion haute tem­pé­ra­ture entre la silice et le car­bone au dessus de 2 500 °C, la réac­tion glo­bale s’écrit :
SiO2 + 3C ------ SiC + 2CO

Il est pos­si­ble de passer par l’inter­mé­diaire du monoxyde SiO gazeux qui n’est stable qu’à haute tem­pé­ra­ture au dessus de 1 350°C et en des­sous de 2 000 °C :
SiO2s + 2Cs ------ SiOg + COg
et
SiOg + Cs ------ SiCs + COg

On peut par cet inter­mé­diaire gazeux faire réagir SiO sur des formes poreu­ses ou des mous­ses de car­bone et garder une grande partie de la poro­sité et de la sur­face spé­ci­fi­que par réac­tion de conden­sa­tion.

C’est ce qui est mis à profit pour des sup­ports de cata­ly­seurs qui ont de grands avan­ta­ges par rap­port à l’alu­mine ou la cor­dié­rite, notam­ment leur résis­tance méca­ni­que et leur tenue à haute tem­pé­ra­ture qui en font revê­tus de cata­ly­seurs, des maté­riaux per­for­mants pour la désul­fu­ra­tion des gaz ou pétro­les et les réac­tions Fischer-Tropsch.

Une autre pos­si­bi­lité est la for­ma­tion de car­bure de sili­cium par CVD et décom­po­si­tion à 1 400 °C d’un pré­cur­seur orga­ni­que comme le méthyl­chlo­ro­si­lane :
CH3SiCl3 ------ SiC + 3HCl

C’est de cette façon que l’on élabore des CMC (Composites à Matrice Céramique) sur assem­bla­ges de fibres ou feu­tres de car­bone ou de SiC pour les appli­ca­tions de haute tem­pé­ra­ture.

La dureté de Mohs est élevée pour β-SiC, de l’ordre de 9, moin­dre que celle du nitrure de bore (cf. Nitrure de bore), mais plus élevée que celle de l’alu­mine. C’est donc un maté­riau excel­lent pour l’abra­sion et la com­po­si­tion des meules.
Avec des grains com­pris entre 60 (250 µm) et 1 200 (5µm), toutes les nuan­ces en poudre ou sur papier ou toile, ou dis­ques sont com­mer­cia­li­sées sous la marque Carborundum, pour le pon­çage des métaux, du bois ou l’affu­tage des outils cou­pants.

Le car­bure de sili­cium est un bon conduc­teur ther­mi­que et électrique assorti d’un faible coef­fi­cient d’expan­sion ther­mi­que. Ceci en fait un maté­riau qui pos­sède une excep­tion­nelle résis­tance au choc ther­mi­que et qui peut être sous forme de céra­mi­que, frit­tée à haute tem­pé­ra­ture, des dalles et blocs de gar­nis­sa­ges pour les fours notam­ment d’inci­né­ra­tion. Mis en forme de barres il four­nit également les éléments chauf­fants pour les fours indus­triels et ména­gers. En effet, il résiste à l’oxy­da­tion jusqu’aux tem­pé­ra­tu­res de l’ordre de 1 400 °C. Il est en effet revêtu à l’air d’une mince couche pro­tec­trice de silice qui le pro­tège jusqu’à sa tem­pé­ra­ture de fusion au delà de 1 500 °C.

Pour la fabri­ca­tion de com­po­si­tes hautes tem­pé­ra­tu­res, on a cher­ché à fabri­quer des fibres de car­bure de sili­cium. Ces fibres de dia­mè­tre de 15µm sont en géné­ral pro­dui­tes par pyro­lyse d’un pré­cur­seur car­bo­si­lane. Par exem­ple le poly­di­mé­thyl­si­lane :

Traité d’abord à 200°C à l’air, puis monté en tem­pé­ra­ture jusqu’à 1 300 °C en atmo­sphère inerte, les fibres de Nicalon® ainsi obte­nues com­por­tent plus de 65 % de car­bure de sili­cium micro­cris­tal­lin avec des quan­ti­tés varia­bles de car­bone et de silice.On mélange aussi les fibres avec des pou­dres de B4C pour leur donner une meilleure résis­tance à l’oxy­da­tion.

Parmi les poly­ty­pes hexa­go­naux, le 4H-SiC et le 6H-SiC sont deve­nus des éléments per­for­mants des com­po­sants électroniques. C’est grâce aux pro­grès qui ont été faits pour l’élaboration de mono­cris­taux par voie de conden­sa­tion gaz, CVD et épitaxie en phase vapeur que des wafers de 6 à 8 pouces peu­vent être syn­thé­ti­sés avec le mini­mum de défauts. Le car­bure de sili­cium est un semi-conduc­teur à large gap (3 eV) et donc peut être uti­lisé comme redres­seur de puis­sance pou­vant sup­por­ter des ten­sions élevées (4 à 5 kV) et de fortes tem­pé­ra­tu­res. Sont com­mer­cia­li­sées des diodes Schottky bien plus per­for­man­tes que celles en sili­cium, en ten­sion et en tem­pé­ra­ture.

Pour l’opto­élec­tro­ni­que, les diodes bleues de SiC ont été sup­plan­tées par GaN, mais se sont déve­lop­pées des LED super brillan­tes avec dépôt de GaN sur des sub­strats de 6H-SiC de très faible épaisseur, très économe en cou­rant et déga­geant très peu de cha­leur, l’avenir de l’éclairage ?

Pensée du jour
« Du four à la meule, de la toile d’émeri au télé­vi­seur, SiC tran­sit gloria »

Sources

Pour en savoir plus

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