Ces dernières années, les semi-conducteurs composés à base de carbure de silicium ont suscité un vif intérêt dans l'industrie. Cependant, malgré ses hautes performances, le carbure de silicium n'est utilisé que dans une petite partie des dispositifs électroniques (diodes, composants de puissance). Il trouve également des applications comme abrasif, matériau de coupe, matériau de structure, matériau optique, support de catalyseur, etc. Aujourd'hui, nous nous intéressons principalement aux céramiques de carbure de silicium, qui présentent de nombreux avantages : stabilité chimique, résistance aux hautes températures, à l'usure et à la corrosion, conductivité thermique élevée, faible coefficient de dilatation thermique, faible densité et haute résistance mécanique. Elles sont largement utilisées dans des secteurs tels que la chimie, l'énergie et la protection de l'environnement, les semi-conducteurs, la métallurgie, la défense et l'industrie militaire.
Carbure de silicium (SiC)Le SiC contient du silicium et du carbone et est un composé structural multiforme typique, comprenant principalement deux formes cristallines : α-SiC (forme stable à haute température) et β-SiC (forme stable à basse température). Il existe plus de 200 formes multiples au total, parmi lesquelles le 3C-SiC de la forme β-SiC et les 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC et 15R-SiC de la forme α-SiC sont représentatifs.
Figure Structure multicorps en SiC
Lorsque la température est inférieure à 1600 °C, le SiC existe sous la forme β-SiC et peut être préparé à partir d'un simple mélange de silicium et de carbone aux alentours de 1450 °C. Au-delà de 1600 °C, le β-SiC se transforme lentement en différents polymorphes d'α-SiC. Le 4H-SiC se forme facilement aux alentours de 2000 °C. Les polymorphes 6H et 15R nécessitent des températures élevées, supérieures à 2100 °C, pour se former aisément. Le 6H-SiC reste très stable même à des températures supérieures à 2200 °C, ce qui explique son utilisation répandue dans les applications industrielles.
Le carbure de silicium pur est un cristal incolore et transparent, tandis que le carbure de silicium industriel peut être incolore, jaune pâle, vert clair, vert foncé, bleu clair, bleu foncé, voire noir, avec des degrés de transparence décroissants. L'industrie des abrasifs classe le carbure de silicium en deux catégories selon sa couleur : le carbure de silicium noir et le carbure de silicium vert. Le carbure de silicium incolore à vert foncé est classé comme carbure de silicium vert, tandis que le carbure de silicium bleu clair à noir est classé comme carbure de silicium noir. Le carbure de silicium noir et le carbure de silicium vert sont tous deux des cristaux hexagonaux de type alpha-SiC, et la poudre micrométrique de carbure de silicium vert est généralement utilisée comme matière première pour les céramiques de carbure de silicium.
Performances des céramiques en carbure de silicium préparées par différents procédés
Cependant, les céramiques en carbure de silicium présentent l'inconvénient d'une faible ténacité à la rupture et d'une grande fragilité. C'est pourquoi, ces dernières années, des céramiques composites à base de carbure de silicium, telles que le renforcement par fibres (ou whiskers), le renforcement par dispersion de particules hétérogènes et les matériaux à gradient fonctionnel, ont émergé successivement, améliorant ainsi la ténacité et la résistance des matériaux qui les composent.
En tant que matériau céramique structurel haute performance pour les hautes températures, les céramiques en carbure de silicium sont de plus en plus utilisées dans les fours à haute température, la métallurgie de l'acier, la pétrochimie, l'électronique mécanique, l'aérospatiale, l'énergie et la protection de l'environnement, l'énergie nucléaire, l'automobile et d'autres domaines.
En 2022, le marché chinois des céramiques structurales en carbure de silicium devrait atteindre 18,2 milliards de yuans. Avec l'expansion continue des domaines d'application et la croissance des besoins en aval, on estime que ce marché atteindra 29,6 milliards de yuans d'ici 2025.
À l'avenir, avec la pénétration croissante des véhicules à énergies nouvelles, de l'énergie, de l'industrie, des communications et d'autres domaines, ainsi que les exigences de plus en plus strictes en matière de composants mécaniques ou électroniques de haute précision, de haute résistance à l'usure et de haute fiabilité dans divers domaines, la taille du marché des produits en céramique de carbure de silicium devrait continuer à croître, les véhicules à énergies nouvelles et le photovoltaïque étant des secteurs de développement importants.
Les céramiques en carbure de silicium sont utilisées dans les fours céramiques en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques à haute température, de leur résistance au feu et aux chocs thermiques. Parmi ces matériaux, les fours à rouleaux sont principalement utilisés pour le séchage, le frittage et le traitement thermique des électrodes positives et négatives des batteries lithium-ion, ainsi que des électrolytes. Ces électrodes sont indispensables aux véhicules à énergies nouvelles. Les garnitures de four en carbure de silicium constituent un élément clé de ces fours ; elles permettent d’accroître leur capacité de production et de réduire considérablement leur consommation d’énergie.
Les produits en céramique de carbure de silicium sont largement utilisés dans divers composants automobiles. De plus, les dispositifs SiC sont principalement utilisés dans les unités de contrôle de puissance (PCU, telles que les convertisseurs CC/CC embarqués) et les bornes de recharge (OBC) des véhicules à énergies nouvelles. Les dispositifs SiC permettent de réduire le poids et le volume des PCU, de diminuer les pertes de commutation et d'améliorer la température de fonctionnement et le rendement du système. Ils permettent également d'augmenter la puissance unitaire, de simplifier la structure du circuit, d'améliorer la densité de puissance et d'accélérer la charge lors de la recharge via l'OBC. Actuellement, de nombreux constructeurs automobiles à travers le monde utilisent le carbure de silicium dans plusieurs modèles, et son adoption à grande échelle est devenue une tendance.
L'utilisation de céramiques en carbure de silicium comme matériaux supports principaux dans la fabrication de cellules photovoltaïques confère aux produits obtenus, tels que les supports et caissons de bateaux ainsi que les raccords de tuyauterie, une excellente stabilité thermique, une indéformabilité même à haute température et l'absence de polluants nocifs. Ces matériaux peuvent remplacer avantageusement les supports, caissons et raccords de tuyauterie en quartz couramment utilisés, tout en présentant des avantages économiques considérables.
De plus, les perspectives de marché des dispositifs de puissance photovoltaïques en carbure de silicium sont vastes. Les matériaux SiC présentent une faible résistance à l'état passant, une faible charge de grille et une faible capacité de récupération inverse. L'utilisation d'onduleurs photovoltaïques intégrant des MOSFET en SiC, seuls ou combinés à des diodes Schottky en SiC, permet d'accroître le rendement de conversion de 96 % à plus de 99 %, de réduire les pertes d'énergie de plus de 50 % et de multiplier par 50 la durée de vie des équipements.
La synthèse des céramiques en carbure de silicium remonte aux années 1890, époque à laquelle le carbure de silicium était principalement utilisé comme matériau de broyage mécanique et comme matériau réfractaire. Avec le développement des technologies de production, les produits SiC de haute technologie se sont largement développés et les pays du monde entier accordent une attention accrue à l'industrialisation des céramiques avancées. Ils ne se contentent plus de la fabrication traditionnelle de céramiques en carbure de silicium. Les entreprises produisant des céramiques de haute technologie connaissent une croissance rapide, notamment dans les pays développés où ce phénomène est plus marqué. Parmi les principaux fabricants étrangers figurent Saint-Gobain, 3M, CeramTec, IBIDEN, Schunk, Narita Group, Toto Corporation, CoorsTek, Kyocera, Aszac, Japan Jingke Ceramics Co., Ltd., Japan Special Ceramics Co., Ltd., IPS Ceramics, etc.
Le développement du carbure de silicium en Chine a été relativement tardif par rapport aux pays développés comme l'Europe et l'Amérique. La production de carbure de silicium a débuté en Chine avec la construction du premier four industriel de fabrication de SiC à la Première Usine de Meules en juin 1951. Les fabricants chinois de céramiques en carbure de silicium sont principalement concentrés à Weifang, dans la province du Shandong. Selon les experts, cela s'explique par les difficultés financières et la nécessité de reconversion des entreprises minières locales. Certaines entreprises ont importé des équipements d'Allemagne pour se lancer dans la recherche et la production de carbure de silicium.ZPC est l'un des plus grands fabricants de carbure de silicium fritté par réaction.
Date de publication : 9 novembre 2024