Céramiques en carbure de silicium (SiC)Grâce à leur faible coefficient de dilatation thermique, leur conductivité thermique élevée, leur dureté importante et leur excellente stabilité thermique et chimique, les céramiques structurales haute température sont devenues un matériau de base. Elles sont largement utilisées dans des secteurs clés tels que l'aérospatiale, le nucléaire, la défense et les semi-conducteurs.
Cependant, la force extrême des liaisons covalentes et le faible coefficient de diffusion du SiC rendent sa densification difficile. C'est pourquoi l'industrie a développé diverses technologies de frittage, et les céramiques de SiC ainsi préparées présentent des différences significatives en termes de microstructure, de propriétés et d'applications. Voici une analyse des principales caractéristiques de cinq céramiques de carbure de silicium courantes.
1. Céramiques SiC frittées sans pression (S-SiC)
Principaux avantages : Adapté à de multiples procédés de moulage, économique, sans limitation de forme ni de taille, c’est la méthode de frittage la plus simple pour une production en série. L’ajout de bore et de carbone au β-SiC contenant des traces d’oxygène, suivi d’un frittage sous atmosphère inerte à environ 2 000 °C, permet d’obtenir un corps fritté d’une densité théorique de 98 %. Deux procédés sont possibles : en phase solide et en phase liquide. Le premier offre une densité et une pureté supérieures, ainsi qu’une conductivité thermique et une résistance à haute température élevées.
Applications typiques : Production en série de bagues d’étanchéité et de paliers lisses résistants à l’usure et à la corrosion ; grâce à sa dureté élevée, sa faible densité et ses excellentes performances balistiques, il est largement utilisé comme blindage pare-balles pour véhicules et navires, ainsi que pour la protection des coffres-forts et des véhicules de transport de fonds. Sa résistance aux impacts multiples est supérieure à celle des céramiques SiC ordinaires, et la résistance à la rupture des blindages cylindriques légers peut atteindre plus de 65 tonnes.
2. Céramiques SiC frittées par réaction (RB SiC)
Principaux avantages : Excellentes performances mécaniques, haute résistance, résistance à la corrosion et à l’oxydation ; faible température et faible coût de frittage, possibilité de mise en forme aux dimensions quasi-finales. Le procédé consiste à mélanger une source de carbone avec de la poudre de SiC pour produire une billette. À haute température, le silicium fondu s’infiltre dans la billette et réagit avec le carbone pour former du β-SiC, qui se combine avec l’α-SiC initial et remplit les pores. La variation dimensionnelle lors du frittage est faible, ce qui rend ce procédé adapté à la production industrielle de pièces de formes complexes.
Applications typiques : équipements de fours à haute température, tubes radiants, échangeurs de chaleur, buses de désulfuration ; grâce à son faible coefficient de dilatation thermique, son module d’élasticité élevé et ses caractéristiques de formage quasi-net, il est devenu un matériau idéal pour les réflecteurs spatiaux ; il peut également remplacer le verre de quartz comme support pour les tubes électroniques et les équipements de fabrication de puces semi-conductrices.
3. Céramiques SiC frittées à chaud (HP SiC)
Avantage principal : Le frittage synchrone à haute température et haute pression confère à la poudre un état thermoplastique, favorisant ainsi le transfert de masse. Il permet de produire des pièces à grains fins, haute densité et bonnes propriétés mécaniques à des températures plus basses et en un temps réduit, tout en atteignant une densité optimale et un état de frittage quasi pur.
Application typique : Initialement utilisé comme gilet pare-balles pour les équipages d’hélicoptères américains pendant la guerre du Vietnam, le marché des blindages a été supplanté par le carbure de bore pressé à chaud ; actuellement, il est principalement utilisé dans des scénarios à forte valeur ajoutée, tels que les domaines exigeant un contrôle extrêmement élevé de la composition, de la pureté et de la densification, ainsi que les domaines de l’industrie nucléaire et des matériaux résistants à l’usure.
4. Céramiques SiC recristallisées (R-SiC)
Avantage principal : aucun ajout d’adjuvants de frittage n’est nécessaire. Il s’agit d’une méthode courante pour la fabrication de dispositifs en SiC de très haute pureté et de grande taille. Le procédé consiste à mélanger des poudres de SiC grossières et fines dans des proportions précises, à les façonner, puis à les fritter sous atmosphère inerte à une température de 2 200 à 2 450 °C. Les particules fines s’évaporent et se condensent au contact des particules grossières pour former une céramique dont la dureté n’est surpassée que par celle du diamant. Le SiC conserve une résistance mécanique élevée à haute température, ainsi qu’une excellente résistance à la corrosion, à l’oxydation et aux chocs thermiques.
Applications typiques : mobilier de four à haute température, échangeurs de chaleur, buses de combustion ; dans les domaines aérospatial et militaire, il est utilisé pour fabriquer des composants structurels de véhicules spatiaux tels que les moteurs, les empennages et le fuselage, ce qui peut améliorer les performances et la durée de vie des équipements.
5. Céramiques SiC infiltrées de silicium (SiSiC)
Principaux avantages : Idéal pour la production industrielle, ce matériau se caractérise par un temps de frittage court, une basse température, une densité élevée et une absence de déformation. Composé d’une matrice de SiC et d’une phase Si infiltrée, il peut être fabriqué selon deux procédés : l’infiltration liquide et l’infiltration gazeuse. Cette dernière, plus coûteuse, offre une densité et une uniformité de silicium libre supérieures.
Applications typiques : sa faible porosité, sa bonne étanchéité et sa faible résistance contribuent à éliminer l’électricité statique, ce qui le rend adapté à la production de pièces volumineuses, complexes ou creuses, et largement utilisé dans les équipements de traitement des semi-conducteurs. Grâce à son module d’élasticité élevé, sa légèreté, sa haute résistance et son excellente étanchéité, il constitue le matériau haute performance de choix dans le domaine aérospatial, capable de résister aux contraintes des environnements spatiaux et de garantir la précision et la sécurité des équipements.
Date de publication : 2 septembre 2025