Como produzir carboneto de silício em pó

O carboneto de silício, mais comummente designado por carborundum, é duro como o diamante e altamente resistente ao desgaste. Além disso, as suas propriedades cerâmicas tornam-no adequado para ambientes de alta temperatura e ambientes de tensão.

A produção do processo Lely resulta em pó que pode ser cortado em pedras preciosas de moissanite para utilização como pedras preciosas, enquanto os fabricantes também o utilizam para o fabrico de artigos abrasivos e produtos que requerem dureza.

Fontes

O carboneto de silício (SiC), também conhecido como carborundum /krbnm/, é um composto extremamente duro de silício e carbono que se forma naturalmente como o mineral moissanite e é produzido em massa como abrasivo desde o final do século XIX. A ligação do SiC em cerâmicas duras ou a sua dopagem com azoto, fósforo, berílio ou alumínio pode formar semicondutores do tipo n ou p.

O SiC industrial é normalmente produzido através do processo Acheson de aquecimento de areia de sílica com fontes de carbono, como o coque de petróleo, a altas temperaturas num forno aberto, produzindo grãos de cor verde ou preta, dependendo do seu nível de pureza.

O SiC é conhecido pela sua superior condutividade térmica e resistência à corrosão. Com um baixo coeficiente de expansão térmica, uma elevada relação resistência/dureza, estabilidade química e facilidade de maquinação, é uma matéria-prima de primeira qualidade em muitas aplicações industriais, tais como refractários/abrasivos/cerâmicas de alta qualidade [16].

Processamento

O carboneto de silício (SiC) é um material cerâmico técnico com propriedades únicas, incluindo inércia química a todas as temperaturas, resistência ao choque térmico e elevada sinterabilidade. O SiC é utilizado em várias aplicações de cerâmica técnica, incluindo o fabrico de mobiliário para fornos e equipamento de manuseamento de fluidos, bem como rolamentos e peças de desgaste. Outras utilizações do SiC incluem filtros de partículas diesel e proteção balística. A Washington Mills oferece equipamento de trituração, moagem e classificação capaz de produzir matérias-primas que cumprem as normas ANSI, FEPA e JIS.

O tamanho do grão dos pós de SiC pode variar consoante o seu estado inicial e a fonte de carbono. Um processo de preparação popular para a síntese de SiC é através da redução térmica do carbono; isto envolve a reação de uma mistura contendo um mol de SiO2 inferior a 200 mech com 1,5-3 moles de fonte de carbono; a lixiviação ácida, o aquecimento e a reação da solução resultante eliminam a produção de carbono vítreo.

Os pós de SiC produzidos através da análise quantitativa por XRD são analisados posteriormente através da análise da forma das partículas, da composição granulométrica e da superfície específica. As caraterísticas importantes incluem a forma das partículas, a composição granulométrica e a superfície específica. As partículas de SiC exibem tipicamente estruturas planas e fragmentadas com subestruturas defeituosas caracterizadas por grelhas de deslocação nos seus bordos - uma caraterística indesejável que pode ter um impacto negativo nos processos de sinterização.

Caraterísticas

O carboneto de silício oferece muitas caraterísticas únicas que lhe permitem ser aplicado em vários domínios industriais. Além disso, este material é quimicamente inerte e oferece uma grande resistência à abrasão, resistência ao calor até altas temperaturas e tem uma boa resistência à tração e propriedades de baixo coeficiente de expansão térmica - qualidades que se juntam para tornar o carboneto de silício adequado para muitas utilizações industriais.

Os processos de produção de carboneto de silício têm um enorme efeito nas suas propriedades e utilizações. Edward Goodrich Acheson desenvolveu o processo Acheson, que consiste em aquecer uma mistura de areia de quartzo, coque de petróleo e aparas de madeira a temperaturas extremamente elevadas, a fim de provocar reacções químicas que produzam cristais de carboneto de silício - estes cristais podem depois ser triturados em pó ou fundidos em lingotes para venda.

Este pó abrasivo é normalmente utilizado pelas indústrias aeroespacial e automóvel para brunir e lapidar peças, a fim de obter dimensões precisas e acabamentos suaves, sendo também utilizado na cerâmica, na produção de vidro e na produção de aço e outros metais. A Alter Technology criou um circuito de rádio utilizando este material que pode suportar as condições extremas do espaço.

Aplicações

A cerâmica de carboneto de silício é um excelente material não óxido com várias aplicações devido à sua dureza (dureza Mohs > 9), inércia química, baixo coeficiente de expansão térmica e resistência ao calor e ao impacto. O carboneto de silício é utilizado como peças resistentes ao desgaste em abrasivos ou peças resistentes ao desgaste em cerâmicas refractárias, bem como em aplicações de semicondutores e eléctricas devido às suas propriedades de condutividade térmica.

Para produzir SiC, os fabricantes começam por combinar sílica amorfa com carbono a altas temperaturas - normalmente coque de carvão como fonte de carbono - antes de moerem finamente e misturarem com pequenas quantidades de bauxite para formar uma pré-forma. Uma vez terminada a dopagem, procede-se à dopagem com azoto (SiC de tipo n) ou com boro, alumínio e gálio (SiC de tipo p), dependendo da aplicação pretendida.

Os fabricantes utilizam então esta pré-forma para produzir carboneto de silício cúbico através de ligação por reação ou de deposição química de vapor. A ligação por reação é a abordagem mais comummente utilizada; envolve o aquecimento a 1410 graus Celsius e a dopagem com azoto ou boro para produzir SiC do tipo n. A deposição de vapor químico requer muito mais energia e equipamento para o seu processo; a ligação por reação requer muito menos.

O pó de SiC condutor de grau semicondutor foi concebido para satisfazer as necessidades únicas de crescimento de vários métodos de crescimento de monocristais de carboneto de silício condutor de tipo n de terceira geração. Este tipo de pó tem uma distribuição óptima do tamanho das partículas com poucos vazios, oferecendo níveis de pureza do produto superiores a 6N.