EXPLORANDO O USO DO SUBSTRATO DE CARBONETO DE SILÍCIO: UM MATERIAL CERÂMICO AVANÇADO

Introdução:

Um dos materiais cerâmicos avançados que está causando impacto no setor manufatureiro é a cerâmica de carboneto de silício. O mundo da ciência está entusiasmado com esta descoberta. Trata-se de um material cerâmico avançado que tem fornecido respostas a muitas necessidades de industriais, especialmente no setor de eletrônica de potência.

Origem do carboneto de silício

O semicondutor avançado conhecido hoje como carboneto de silício foi descoberto acidentalmente em 1891 por Acheson Ed. Ele era um cientista americano que queria encontrar uma alternativa aos diamantes. Sua intenção era clara, mas o resultado de seu experimento produziu carboneto de silício, o que lhe rendeu popularidade, já que ninguém jamais havia feito tal descoberta.

O carboneto de silício também foi encontrado naturalmente como mineral, em um meteorito em 1893, por Moissan Henri. Isso deu origem ao seu outro nome, Moissanita. Devido a essa descoberta e à semelhança de seus componentes com a poeira estelar, o carboneto de silício foi chamado de "pedra preciosa do céu".

FIG 1: Um pedaço de meteorito

Preparação Comercial de Carboneto de Silício

A cerâmica de carboneto de silício pode ser produzida sinteticamente em quantidades comerciais. Existem dois métodos conhecidos para a produção sintética de carboneto de silício: o método Lely, iniciado por Anthony Lely em 1955, também conhecido como tecnologia de crescimento de cristal, e o método de vapor químico.

FIG. 2: Ligação covalente de carboneto de silício

1. Método Lely: Este é um processo de produção comercial de cristais de carboneto de silício para a indústria de semicondutores. Nele, o pó de carboneto de silício é sublimado e aquecido em um cadinho a temperaturas altíssimas com gás argônio. Em seguida, os cristais se fixam a uma haste no meio do cadinho, que está a uma temperatura mais baixa.

2. Método de vapor químico: Este é um método adotado pelas indústrias metalúrgica e extrativa para gerar produtos de alta pureza8. O método do vapor químico envolve a quebra de átomos de silício e carbono em um ambiente controlado. A quebra incompleta resultante desse método produz substratos de carboneto de silício, utilizados pela indústria de semicondutores7.

As muitas dimensões do carboneto de silício como uma cerâmica semicondutora

Carboneto de silício é uma substância também conhecida como carborundum. Outros nomes pelos quais é conhecido são semicondutor de carboneto de silício, sic, cerâmica sic e substrato de carboneto de silício. Frequentemente, alternamos o uso desses nomes em nossa discussão sobre as diversas características dessa cerâmica avançada.

No entanto, independentemente do nome escolhido para a substância, suas características básicas permanecem as mesmas. As características da cerâmica de sic que examinaremos mais adiante são as propriedades químicas, físicas e mecânicas.

Propriedades químicas do carboneto de silício (Sic): O carboneto de silício é um composto químico formado por íons de silício e carbono fortemente unidos. As fortes ligações que esta cerâmica avançada possui a tornam quimicamente inerte. A banda proibida de sua estrutura química é forte, tornando-a altamente eficaz como cerâmica semicondutora (cerâmica sic).

Em outras palavras, o sic não pode ser facilmente desintegrado por outras substâncias químicas, particularmente ácidos e álcalis. A ligação tetraédrica de átomos de silício e carbono produz um substrato de carboneto de silício¹. Como resultado, o sic possui a composição interna necessária, que se adapta bem ao setor de manufatura, especialmente como semicondutores.

Também é altamente resistente a sais e álcalis e não pode ser dissolvido em água, mas sim em ferro fundido e em algumas formas de ácido fluorídrico.

Eletronicamente, a densidade de portadores intrínsecos do silício cerâmico é muito baixa, o que aumenta sua adequação a operações em altas temperaturas.

Propriedades físicas: Isso se reflete facilmente na cor, no formato e na textura da substância. O carborundum é uma gema, e isso se reflete em seus vários tons de cores. Assim como os diamantes, são altamente valorizados por seu brilho, e suas cores são graduadas de 4 a 7. Também é importante observar que seu brilho esverdeado pode ser confundido com diamantes.

Também conhecido como Sic cte devido às suas características térmicas, já que o sic cte define seu coeficiente térmico, o carboneto de silício é conhecido por conduzir uma alta quantidade de eletricidade. Possui um ponto de ebulição e um ponto de fusão muito altos.

Propriedades mecânicas do carboneto de silício: O carboneto de silício é um material muito duro. Na verdade, é a substância mais dura². O carboneto de silício é um material reputadamente duro, perdendo apenas para o diamante. A covalência nas ligações dos átomos de silício e carbono no carboneto de silício o torna muito duro². A cerâmica de silício é considerada altamente resistente à corrosão e ao impacto.

A cerâmica Sic tem muito peso, além de alta capacidade de absorção.

Carborundum e politipismo: A cerâmica de silício cristaliza em diferentes estruturas por meio de um processo conhecido como politipismo2, que produz politipos da cerâmica avançada. A formação de politipos no carboneto de silício é atribuída às diferenças nas características superficiais do carbono e do silício5.

Politipos de cerâmica de silício apresentam características distintivas em termos de mobilidade, banda proibida e propriedades eletrônicas. Eles também se diferenciam em relação ao empilhamento de seus cristais². As características cristalinas do carboneto de silício deram origem à sua forma como carborundum, uma pedra preciosa altamente valorizada.

A mobilidade de politipos cerâmicos sic é exibida nos usos de carboneto de silício para o desenvolvimento de materiais acústicos.

FIG 3: Cristais cerâmicos de Sic

Usos da cerâmica sic (carboneto de silício):

1. A cerâmica de silício é considerada um dos melhores materiais cerâmicos avançados utilizados na produção de equipamentos balísticos. Entre eles, estão equipamentos de proteção corporal, como coletes à prova de balas. A maioria dos coletes à prova de balas utiliza materiais cerâmicos avançados como camada frontal. Isso se deve à capacidade do semicondutor de desviar projéteis de alta velocidade, como balas9.

2. O Sic CTE é utilizado como revestimento para a tecnologia de microsistemas eletromecânicos (MEMS) implantados em sistemas biomédicos e bioquímicos10. Produtos elétricos resultantes da tecnologia MEM, como geradores e sistemas acústicos, exigem tais atributos do Sic CTE. O objetivo da escolha do Sic CTE é alcançar a relação custo-benefício na produção, bem como a confiabilidade8.

FIG 4: Semicondutores de carboneto de silício em peças de geradores

3. O carboneto de silício é um material cerâmico avançado e confiável, utilizado na produção de tijolos duráveis para a construção civil. O silício presente na argila utilizada na produção de tijolos confere-lhe a característica de cerâmica avançada. Os tijolos são utilizados na construção civil para obter resistência, durabilidade e boa ventilação em estruturas de edifícios11.

FIG 5: Semicondutor de carboneto de silício (Bricks)

4. O setor da aviação é conhecido pela ênfase na qualidade e durabilidade de seus equipamentos. Isso justifica o uso de revestimentos cerâmicos de silício nos materiais utilizados na construção de aeronaves. Isso garante que as aeronaves sejam fortes o suficiente para resistir à força de ventos e aeronaves de alta velocidade. O peso adequado da cerâmica de silício utilizada também garante que as aeronaves permaneçam flutuando.

FIG 6: Peças de aeronaves fabricadas em cerâmica sic

5. As características físicas e microestruturais de materiais cerâmicos avançados, como a cerâmica sic, os tornam a primeira escolha. São amplamente utilizados na fabricação de componentes críticos de equipamentos elétricos, como geradores e instrumentos cirúrgicos. Seu uso como filmes finos garante a durabilidade e a resistência ao desgaste dos materiais.

FIG 7: Uso de Sic em eletrônica.

6. Mencionamos no início deste artigo que o carboneto de silício também é conhecido como carborundum. O termo carborundum é particularmente aplicado à cerâmica de silício quando se refere ao seu uso em joias. Como uma boa alternativa aos diamantes, o carborundum é altamente recomendado para a fabricação de anéis de noivado. É mais barato que os diamantes, mas igualmente impactante!

7. A capacidade do carboneto de silício de suportar altas tensões elétricas o torna adequado para veículos elétricos e movidos a energia solar. O carboneto de silício possui altíssima condutividade térmica e promove a dissipação de calor entre os componentes de veículos elétricos12. A cerâmica de silício utilizada em carregadores de veículos elétricos (VE) promove a eficiência, reduzindo a necessidade de outros componentes12.

8. A cerâmica de silício é útil para processos fotocatalíticos. Trata-se de métodos utilizados para aumentar os processos termodinâmicos, utilizando a energia luminosa para a fotossíntese. Os processos fotocatalíticos ajudam a reduzir a exposição do meio ambiente a produtos químicos e toxinas provenientes de atividades industriais. Dessa forma, o carboneto de silício é uma ferramenta útil para a proteção do meio ambiente13.

9. A dureza dos materiais cerâmicos de sic os torna adequados para uso como abrasivos. Os abrasivos, por si só, precisam possuir resistência à tração e durabilidade. Abrasivos como a cerâmica de sic são utilizados em diversos setores, como construção civil e tecnologia. Exemplos de abrasivos incluem a lixa, usada para alisar superfícies ásperas mais macias14.

FIG 8: Abrasivo de carboneto de silício - lixa

10. O carboneto de silício também é utilizado na fabricação de materiais de corte. É muito duro e, como tal, pode resistir à corrosão ao cortar outros objetos. Materiais revestidos com cerâmica de silício oferecem potencial de precisão e dureza quando usados para cortar materiais duros. Além disso, a cerâmica de carboneto de silício utilizada para corte não se desgasta ou corrói facilmente, mesmo com o uso repetido.

Desafios no uso de carboneto de silício incluem o seguinte:

Ø O carboneto de silício é um material muito raro. Como resultado, sua disponibilidade depende da produção comercial, o que, na maioria dos casos, resulta em formas impuras do composto.

Ø Os custos de produção do carboneto de silício são altos e isso se reflete no alto custo de aquisição pelos industriais que precisam deles.

Conclusão:

O carboneto de silício é uma descoberta muito boa e continua a causar impacto nas diversas formas de seu uso. Esperamos que novos avanços tecnológicos surjam para inovar métodos mais baratos e torná-lo disponível para mais industriais.