Definição de carboneto de silício

O carboneto de silício (SiC) é um composto cristalino duro, produzido sinteticamente, amplamente utilizado como material abrasivo e resistente ao desgaste, em refractários e aplicações cerâmicas, bem como como substrato semicondutor para díodos emissores de luz (LED).

Os semicondutores EFM também superaram os semicondutores de silício tradicionais em ambientes de alta tensão, como os encontrados em dispositivos de alimentação de veículos eléctricos (EV), proporcionando um desempenho superior ao minimizar as perdas de tensão e corrente, bem como ao encolher e tornar mais leves os componentes essenciais de gestão de baterias, diminuindo o tamanho e o peso.

Carboneto de silício

O carboneto de silício é um composto cerâmico inerte composto por silício e carbono. Com uma classificação de dureza de Mohs de 9, está em terceiro lugar, apenas atrás do carboneto de boro (9,5) e do diamante (10). O carboneto de silício tem uma elevada durabilidade mecânica, mantendo-se quimicamente inerte, o que o torna perfeito para aplicações de proteção de superfícies duras, como máquinas-ferramentas.

Os nanotubos de carbono puros contêm quatro átomos de carbono dispostos em quatro tetraedros de carbono, ligados covalentemente entre si por ligações de silício. Esta disposição permite o polimorfismo com várias estruturas e fases cristalinas.

A estrutura cristalina do SiC resulta nas suas propriedades eléctricas superiores, incluindo características de semicondutor de banda larga (WBG) essenciais para aplicações electrónicas. Um maior intervalo de banda permite que os electrões saiam de órbita mais rapidamente, conduzindo a frequências mais elevadas e a operações mais rápidas do que com os dispositivos de silício convencionais.

Como material de base, o silício pode ser dopado com azoto, fósforo, gálio, boro e alumínio para produzir semicondutores do tipo n. Além disso, os transístores sem silício podem reduzir o custo e o consumo de energia em até 40%.

O carboneto de silício (SiC) pode funcionar até 300 graus Celsius, o que faz dele uma excelente escolha de material para aplicações em ambientes de alta temperatura, como os motores de veículos eléctricos. O SiC pode eliminar a necessidade de sistemas de arrefecimento activos que aumentam o peso, o custo e a complexidade - o que se traduz numa maior autonomia e em tempos de carregamento mais rápidos para estes veículos.

Semicondutores

O carboneto de silício é há muito reconhecido pelas suas propriedades eléctricas únicas que o tornam muito útil em eletrónica. Os semicondutores, que alternam entre o comportamento de condutores (como os fios eléctricos de cobre) e o de isoladores (isolamento de polímeros que cobrem esses fios), constituem os materiais semicondutores utilizados na construção de circuitos integrados, componentes electrónicos discretos como díodos e transístores, que conduzem eletricidade em determinadas condições; a sua condutividade pode mesmo ser alterada através de estímulos por correntes eléctricas, campos electromagnéticos ou estímulos luminosos.

O carboneto de silício destaca-se dos semicondutores tradicionais por ter um intervalo de banda extremamente largo. Isto significa que é necessária muito mais energia para mover os electrões da banda de valência para a banda de condução; consequentemente, o carboneto de silício apresenta perdas de energia muito baixas - uma qualidade inestimável quando utilizado em aplicações de alta tensão, como os inversores de tração de veículos eléctricos.

O carboneto de silício tem sido utilizado há muito tempo para várias utilizações na indústria e no meio académico, desde granalhas de granalha e ferramentas de impressão de carborundum a aplicações de engenharia térmica, eléctrica e mecânica. Recentemente, no entanto, a procura disparou devido às suas baixas taxas de expansão térmica, elevada relação resistência-dureza e capacidade de resistir a ambientes hostis.

Cerâmica

O silício e o carbono combinam-se para produzir um material atrativo com excelentes propriedades mecânicas, químicas e térmicas. Apresenta uma dureza extrema - duas vezes superior à do diamante na escala de Mohs - bem como uma resistência superior ao choque térmico em relação a outros materiais refractários.

A cerâmica refere-se a um material inorgânico não metálico que é extremamente flexível quando não é cozinhado, mas que endurece significativamente durante os processos de cozedura. A cerâmica abrange várias categorias, por exemplo:

As cerâmicas são utilizadas principalmente como refractários, materiais inorgânicos que oferecem resistência ao calor e ao desgaste químico e à corrosão. As cerâmicas existem em todo o tipo de formas e cores e são utilizadas em todos os sectores. As utilizações importantes das biocerâmicas incluem a proteção contra incêndios, os supercondutores e a indução de respostas biológicas das células. As cerâmicas bioactivas podem ser intrinsecamente bioactivas ou podem ser tornadas bioactivas através de tratamentos de superfície ou do preenchimento dos poros da cerâmica com substâncias farmaceuticamente activas. O carboneto de silício é amplamente utilizado em discos de travão de automóveis que reduzem significativamente a fricção e as emissões, suportando simultaneamente temperaturas elevadas sem necessidade de sistemas de arrefecimento activos que aumentam o peso, a complexidade e o custo. Além disso, a sua utilização constitui a base de muitos abrasivos e ferramentas de corte.

Automóvel

O carboneto de silício (SiC) é um material extremamente resistente, classificado em nono lugar na escala de Mohs, entre a alumina (9) e o diamante (10). O carboneto de silício foi sintetizado artificialmente pela primeira vez pelo inventor americano Edward Acheson em 1891, quando tentava fabricar diamantes artificiais, mas em vez disso descobriu pequenos cristais negros de SiC na sua fusão aquecida eletricamente de carbono e alumina, que foram moídos em pó para abrasivos industriais. O químico vencedor do Prémio Nobel Henri Moissan observou o composto naturalmente como um mineral transparente chamado moissanite em 1905.

A estrutura atómica única do carboneto de silício e as suas propriedades semicondutoras tornam-no ideal para aplicações electrónicas como díodos, transístores e dispositivos de potência. Tem uma resistência à tensão dez vezes superior à do silício tradicional e tem um desempenho ainda melhor em sistemas superiores a 1000 V, o que o torna o material ideal para satisfazer as exigências de alta tensão associadas às estações de carregamento de veículos eléctricos (VE) e aos sistemas de gestão de energia.

O SiC pode melhorar significativamente as eficiências de comutação, ao mesmo tempo que ajuda a diminuir o tamanho e o peso dos componentes essenciais dos veículos eléctricos, como os conversores DC-to-DC, os carregadores de bordo e os sistemas de gestão de baterias. Estes avanços poderão aproximar a condução sem emissões da adoção em massa. A análise da GlobalData identifica mais de 10 empresas - desde fornecedores de tecnologia e empresas do sector automóvel estabelecidas até empresas emergentes - que utilizam o carboneto de silício em soluções inovadoras.