Definição de carbeto de silício

O carbeto de silício (SiC) é um composto cristalino duro produzido sinteticamente e amplamente utilizado como material abrasivo e resistente ao desgaste, em refratários e aplicações de cerâmica, além de ser o substrato semicondutor para diodos emissores de luz (LED).

Os semicondutores da EFM também superaram os semicondutores de silício tradicionais em ambientes de alta tensão, como os encontrados em dispositivos de energia de veículos elétricos (EV), proporcionando desempenho superior ao minimizar as perdas de tensão e corrente, além de reduzir e tornar mais leves os componentes essenciais de gerenciamento de bateria, diminuindo o tamanho e o peso.

Carbeto de silício

O carbeto de silício é um composto cerâmico inerte composto de silício e carbono. Com uma classificação de dureza Mohs de 9, ele está em terceiro lugar, atrás apenas do carbeto de boro (9,5) e do diamante (10). O carbeto de silício tem alta durabilidade mecânica e permanece 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 por ligações de silício. Esse arranjo permite o polimorfismo com várias estruturas e fases cristalinas.

A estrutura cristalina do SiC resulta em suas propriedades elétricas superiores, incluindo características de semicondutor de banda larga (WBG) essenciais para aplicações eletrônicas. Uma lacuna de banda maior permite que os elétrons saiam de órbita mais rapidamente, levando a frequências mais altas e operações mais rápidas do que nos dispositivos de silício convencionais.

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

O carbeto de silício (SiC) pode operar a até 300 graus Celsius, o que o torna uma excelente opção de material para aplicações em ambientes de alta temperatura, como motores de veículos elétricos. O SiC pode eliminar a necessidade de sistemas de resfriamento ativos que aumentam o peso, o custo e a complexidade, o que se traduz em maior autonomia e tempos de carregamento mais rápidos para esses veículos.

Semicondutores

O carbeto de silício é reconhecido há muito tempo por suas propriedades elétricas exclusivas, que o tornam muito útil em eletrônica. Os semicondutores, que alternam entre agir como condutores (como os fios elétricos de cobre) e isolantes (isolamento de polímero que cobre esses fios), compõem os materiais semicondutores usados para construir circuitos integrados, componentes eletrônicos discretos como diodos e transistores, que conduzem eletricidade sob certas condições; sua condutividade pode até ser alterada por meio de estímulos de correntes elétricas, campos eletromagnéticos ou estímulos de luz.

O carbeto de silício se destaca dos semicondutores tradicionais por ter um bandgap extremamente amplo. Isso significa que é necessário muito mais energia para mover os elétrons da banda de valência para a banda de condução; consequentemente, o carbeto de silício apresenta perdas de energia muito baixas, uma qualidade inestimável quando usado em aplicações de alta tensão, como inversores de tração de veículos elétricos.

Há muito tempo, o carbeto de silício é utilizado para vários usos no setor industrial e acadêmico, desde grãos de jateamento e ferramentas de impressão de carborundum até aplicações de engenharia térmica, elétrica e mecânica. Recentemente, no entanto, a demanda disparou devido às suas baixas taxas de expansão térmica, alta relação entre resistência e dureza e capacidade de resistir a ambientes hostis.

Cerâmica

O silício e o carbono se combinam para produzir um material atraente com excelentes propriedades mecânicas, químicas e térmicas. Ele apresenta dureza extrema - até duas vezes maior que a do diamante na escala de Mohs - bem como resistência superior a choques térmicos em relação a outros materiais refratários.

Cerâmica refere-se a um material inorgânico e não metálico que é extremamente flexível quando não queimado, mas que endurece significativamente durante os processos de queima. As cerâmicas abrangem várias categorias, por exemplo:

As cerâmicas são usadas principalmente como refratários, materiais inorgânicos que oferecem resistência ao calor e ao desgaste químico e à corrosão. As cerâmicas são fornecidas em todos os tipos de formas e cores e são usadas em todos os setores. Os usos importantes da biocerâmica incluem proteção contra incêndio, supercondutores e indução de respostas biológicas das células. As cerâmicas bioativas podem ser intrinsecamente bioativas ou podem ser tornadas bioativas por meio de tratamentos de superfície ou preenchimento dos poros da cerâmica com substâncias farmaceuticamente ativas. O carbeto de silício é amplamente utilizado em discos de freio de automóveis que reduzem significativamente o atrito e as emissões, além de suportar altas temperaturas sem a necessidade de sistemas de resfriamento ativos que aumentam o peso, a complexidade e o custo. Além disso, seu uso forma a base de muitos abrasivos e ferramentas de corte.

Automotivo

O carbeto de silício (SiC) é um material extremamente resistente, classificado em nono lugar na escala Mohs, entre a alumina (9) e o diamante (10). O carbeto 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 pretos de SiC em sua fusão aquecida eletricamente de carbono e alumina, que foram moídos em forma de pó para abrasivos industriais. O químico ganhador do Prêmio Nobel Henri Moissan observou o composto naturalmente como um mineral transparente chamado moissanita em 1905.

A estrutura atômica exclusiva e as propriedades semicondutoras do carbeto de silício o tornam ideal para aplicações eletrônicas, como diodos, transistores e dispositivos de energia. Ele tem uma resistência à tensão dez vezes maior do que o silício tradicional e tem um desempenho ainda melhor em sistemas com mais de 1.000 V, o que o torna o material ideal para atender às demandas de alta tensão associadas às estações de carregamento de veículos elétricos e aos sistemas de gerenciamento de energia.

O SiC pode melhorar significativamente as eficiências de comutação e, ao mesmo tempo, ajudar a diminuir o tamanho e o peso de componentes essenciais de EV, como conversores CC-CC, carregadores de bordo e sistemas de gerenciamento de bateria. Esses avanços podem aproximar a condução sem emissões da adoção em massa. A análise da GlobalData identifica mais de 10 empresas - desde fornecedores de tecnologia e empresas automotivas estabelecidas até start-ups emergentes - que usam o carbeto de silício para soluções inovadoras.