Les carbures de céramique : Les gros durs du monde des matériaux

Les carbures de céramique :
Les gros durs du monde des matériaux
par Paul Everitt et Ian Doggett, spécialistes techniques, Division des Verres et des Céramiques de Goodfellow
[email protected] [email protected]
Le carbure de silicium (SiC) et le carbure de bore (B4C) font partie des matériaux connus les plus durs
au monde et sont utilisés dans des applications industrielles exigeantes diverses et variées, des buses
d’abattage aux miroirs spatiaux. Mais ces “gros durs” du monde des matériaux n’ont pas que leur dureté
pour eux ; ces deux carbures de céramique ont un profil de propriétés recherché dans une large gamme
d’applications et méritent d’être pris en compte pour les nouveaux projets de recherche et de conception
de produits.
Le carbure de silicium
L’utilisation de ce matériau à la densité et à la résistance élevées a bien évolué, en passant d’applications
principalement à hautes températures à une multitude d’applications d’ingénierie. Le carbure de silicium est
caractérisé par :
•U
ne conductivité thermique élevée
•U
n faible coefficient de dilatation thermique
•U
ne résistance aux chocs thermiques exceptionnelle
•U
ne dureté extrême
•D
es propriétés semi-conductrices
•U
n indice de réfraction supérieur à celui du
diamant
Bien que beaucoup de gens connaissent déjà les
attributs généraux de cette céramique avancée (voir
la figure 1), on néglige souvent un point important:
les propriétés du carbure de silicium peuvent
être modifiées en faisant varier la méthode de
compaction finale. Ces modifications peuvent fournir
aux techniciens compétents de petits ajustements
de performances qui peuvent potentiellement faire
toute la différence en termes de fonctionnalité d’un
composant fini.
Par exemple, dans les deux catégories de la
production de carbure de silicium (frittage et liaison
par réaction), différentes méthodes de compaction
peuvent conférer divers avantages et limites au
matériau fini. Dans un tel cas, le carbure de silicium
infiltré de silicium (SiSiC) lié par réaction est produit
par l’imprégnation d’un squelette poreux de carbure
de silicium et de carbone libre avec du silicium
fondu. Ceci crée une matrice de liaison de carbure
de silicium et laisse une certaine quantité de silicium
sous forme non liée. Le matériau ne se contracte
pas lors de la densification, et l’on obtient une
stabilité dimensionnelle qui permet la production
de composants à grande échelle et de formes
complexes. L’inconvénient, c’est que le silicium libre
FIGURE 1:
Propriétés typiques du carbure de silicium (feuille
pressée à chaud)
Résistance chimique
Acides, concentrésBonne
Acides, diluésBonne
AlcalisBonne - Mauvaise
HalogènesBonne - Mauvaise
Métaux
Convenable
Propriétés électriques
Constante diélectrique
Résistivité volumique à 25 °C (Ohm - cm)
40
103 - 105
Propriétés mécaniques
Résistance à la compression (MPa)
Dureté, Vickers (Kgf mm-2)
Résistance au cisaillement (MPa)
Module de tension (GPa)
1000 - 1700
2400 - 2800
210 - 380
200 - 500
Propriétés physiques
Porosité apparente (%)
Densité (g cm-3)
0
3,15
Propriétés thermiques
Coefficient de dilatation thermique
à 20 - 1000 °C (x10-6 K-1)
Point de fusion (°C)
Chaleur spécifique à 25 °C (J K-1 Kg-1)
Conductivité thermique à 20 °C (W m-1 K-1)
Température d’utilisation continue supérieure (°C)
4,5
2650 - 2950
670 - 710
90 - 160
1500 - 1650
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limite la température de fonctionnement à environ 1380 °C.
D’autres procédés de compaction produisent du carbure de silicium
fritté sans pression (SSiC), du carbure de silicium pressé à chaud ou
pressé isostatiquement à chaud (HPSiC / HIPSiC), du carbure de silicium
recristallisé (RSiC) et du carbure de silicium fritté en phase liquide (LPSiC).
Ces méthodes modifient la porosité, la résistance, la durabilité, la résistance
à la corrosion, la résistance à l’écaillage thermique ou la résistance à la
rupture de diverses façons.
Applications du SiC
Les applications du carbure de silicium sont très variées mais sont toutes
fondées sur la dureté remarquable du matériau. Parmi les applications les
plus courantes, on dénombre :
•L
es composants automobiles et les faces de joint d’étanchéité,
qui nécessitent une résistance supérieure à l’usure et aux chocs
thermiques et la capacité de tenir au cours de toute la durée de vie du
véhicule
•L
es joints mécaniques, qui nécessitent une résistance supérieure à la
corrosion, à l’abrasion et aux chocs
La forme suit la fonction
Le carbure de silicium et le carbure
de bore sont disponibles dans toute
une gamme de formes pour faciliter le
développement de nouveaux produits
et de nouvelles applications.
FibreMousse
FeuilleGranule
Monofilament
Tuile
PoudreTube
Tige
Cible de
pulvérisation
Remarque : toutes les formes ne sont
pas nécessairement disponibles pour
le carbure de silicium et le carbure de
bore.
•L
es buses de soufflage et d’atomisation, qui nécessitent une
excellente résistance à l’usure, un poids léger et une longue durée de
vie (le carbure de silicium dure 50 % plus longtemps que le carbure de
tungstène)
•L
es applications de vannes de la production par processus, qui
nécessitent une résistance exceptionnelle à la corrosion, en particulier
dans les acides
•L
a production de semi-conducteurs, qui nécessitent une résistance
exceptionnelle à l’usure et à la corrosion, qui à son tour conduit à une
maintenance réduite et au recyclage des composants
Le Glenn Research Center de la NASA a développé du carbure de silicium
comme matériau pour les appareils électroniques de semi-conducteurs
avancés qui pourrait avoir des implications à la fois fonctionnelles et
financières pour le programme spatial. Les éléments électroniques et
les capteurs à base de carbure de silicium peuvent fonctionner à des
températures allant jusqu’à 600 °C, contre 350 °C pour les éléments
électroniques à base de silicium classiques. Cela pourrait être un avantage
pour les véhicules de lancement et les moteurs d’avions, qui fonctionnent à
des températures extrêmement élevées.
Aux températures de fonctionnement beaucoup plus faibles associées
aux engins spatiaux, les éléments électroniques à base de carbure de
silicium se prêteraient davantage à un système d’alimentation électrique
d’engin spatial plus compact et n’auraient également pas besoin de recevoir
autant de refroidissement de la part des radiateurs thermiques d’un engin
spatial que des éléments électroniques à base de silicium classiques.
Ces radiateurs thermiques pourraient à leur tour être plus petits et plus
légers, ce qui réduirait le poids global et, éventuellement, le coût. En
outre, l’utilisation de circuits de hautes températures à base de carbure
de silicium résistant aux rayonnements nécessiterait moins de blindage
dans les vaisseaux spatiaux à propulsion nucléaire, ce qui réduirait encore
davantage le poids.
Le Glenn Research Center de la NASA a
développé du carbure de silicium comme
matériau pour les appareils électroniques de
semi-conducteurs avancés qui pourrait avoir
des implications à la fois fonctionnelles et
financières pour le programme spatial.
Crédit image : NASA / Sandra Joseph et
Kevin O’Connell
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Le carbure de bore
Seuls le diamant, le nitrure de bore cubique et l’oxyde de
bore possèdent une dureté supérieure au carbure de bore
(cf figure 2). Difficile à fritter à densité totale, le carbure de
bore est habituellement produit en ajoutant des adjuvants
de frittage comme le carbone fin ou le carbure de silicium.
Le carbure de bore est typiquement caractérisé par:
• Une
dureté extrême
• Une
conductivité thermique faible
• Un
module d’élasticité élevé
• Une
résistance élevée à la compression
• De
bonnes propriétés nucléaires
• Une
faible densité
Applications du B4C
En plus des applications nécessitant une excellente
résistance à l’usure et une résistance élevée,
d’autres applications peuvent tirer parti des propriétés
caractéristiques du carbure de bore. Voici quelques-unes
des nombreuses applications diverses et variées du carbure
de bore:
•L
es abrasifs, qui nécessitent une dureté extrême pour
une utilisation dans les applications de polissage et de
rodage, pour l’habillage d’outils diamantés, et pour le
forage à jet
•L
es buses, qui nécessitent une résistance à l’usure et
à l’abrasion pour le pompage de pulpe, le grenaillage,
et le forage à jet
FIGURE 2:
Propriétés typiques du carbure de bore
(feuille pressée à chaud)
Résistance chimique
Acides, concentrés
Convenable
Acides, diluésBonne
Alcalis
Convenable
Halogènes
Convenable
Métaux
Convenable
Propriétés électriques
Résistivité volumique à 25 °C (Ohm - cm)
0,1 - 10
Propriétés mécaniques
Résistance à la compression (MPa)
Dureté, Knoop (Kgf mm-2)
Dureté, Vickers (Kgf mm-2)
Résistance au cisaillement (MPa)
Module de tension (GPa)
1400 - 3400
2800-3500
3200
210 - 380
440 - 470
Propriétés physiques
Porosité apparente (%)
Densité (g cm-3)
<3
2,45 - 2,52
Propriétés thermiques
Coefficient de dilatation thermique
à 20 - 1000 °C (x 10-6 K-1)
Point de fusion (°C)
Chaleur spécifique à 25 °C (J K-1 Kg-1)
Conductivité thermique à 20 °C (W m-1 K-1)
Température d’utilisation continue supérieure (°C)
5,6
2450
950
30-90
600-800
•L
es applications nucléaires, étant donné que 20 % du
bore naturel est l’isotope 10B, le carbure de bore peut
être utilisé comme un absorbant pour le rayonnement neutronique dans
les centrales nucléaires
•L
es gilets pare-balles, qui nécessitent un équilibre critique entre dureté,
résistance à la compression, module d’élasticité élevé et faible densité
spécifique
L’utilisation du carbure de bore pour les applications de gilet pare-balles a
augmenté de façon spectaculaire au cours des dernières années ; le carbure
de céramique est rapidement devenu le matériau de prédilection pour le
personnel militaire et d’application de la loi. Cette céramique avancée, sous
la forme de plaques ou de « tuiles » insérées dans les gilets pare-balles, offre
une réduction d’environ 50 % du poids tout en offrant une protection égale
ou supérieure aux formes de gilets précédentes. De nouveaux procédés de
façonnage de la matière pour un ajustement optimal ont également amélioré
les performances et sans aucun doute sauvé des vies.
Regarder vers l’avenir
Compte tenu de leurs propriétés uniques et de leur polyvalence éprouvée,
le carbure de silicium et le carbure de bore offrent aux chercheurs et aux
ingénieurs concepteurs l’occasion d’étudier d’autres utilisations intéressantes
mais encore inexplorées pour ces céramiques avancées remarquables. Ces
“gros durs” ont sans doute encore beaucoup de choses à nous offrir.
Pour plus d’informations concernant les carbures de céramique, contactez les
auteurs à [email protected] ou [email protected].
L’utilisation du carbure de bore pour les
applications de gilet pare-balles a augmenté
de façon spectaculaire au cours des
dernières années ; le carbure de céramique
est rapidement devenu le matériau de
prédilection pour le personnel militaire et
d’application de la loi.
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