Légende
  • Halogènes
  • Métaux alcalino-terreux
  • Actinides
  • Gaz nobles
  • Métaux de transition
  • Autres
  • Métaux alcalins
  • Lanthanides
6
C
Carbone
14
Si
Silicium
Produit minéral

Le carbure de silicium, de formule SiC, est appelé également carborundum. Sa dureté est de 9,5 dans l’échelle de Mohs (entre le diamant et le corindon). Il est employé traditionnellement comme abrasif mais aussi en métallurgie et comme matériau réfractaire. De nouvelles applications de haute technologie se développent avec la fabrication de miroirs pour des télescopes spatiaux ou des wafers en microélectronique.

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire Structures cristallines
SiC 40,10 g.mol-1 Transformations Structures
Forme alpha à T > 1 700°C, bêta à T < 1 700°C
  • forme alpha : hexagonale de type wurtzite de paramètres a = 0,308 nm et c = 1,512 nm
  • forme bêta : cubique de type blende de paramètre a = 0,436 nm

Données physiques

Masse volumique Dureté Température de sublimation Conductibilité thermique Solubilité dans l’eau
3,217 g.cm-3 9,5 2 700°C 360 W.m-1.K-1 insoluble

Données thermodynamiques

Carbure de silicium cubique

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -65,3 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -62,8  kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 16,6 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 26,9 J.K-1mol-1
Carbure de silicium gazeux

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : 740,8 kJ.mol-1

Données industrielles

Fabrication  industrielle

Au four électrique vers 2 400°C pendant 2 à 20 jours, à partir de sable pur et de coke de pétrole, selon le procédé Acheson, découvert en 1891. La consommation d’énergie est de 23,8 MJ/kg de SiC.

SiO2 + 3 C = SiC + 2 CO

Il existe 2 qualités courantes de carbure de silicium, qualités qui sont obtenues simultanément :

  • cristallisée (pureté > 97,5 %) : utilisée pour élaborer des briques réfractaires pour hauts fourneaux et comme abrasif pour le travail des métaux et de la pierre.
  • amorphe (pureté d’environ 90 %) : utilisé comme élément d’addition dans la fonte et les aciers.

SiC se forme dans la partie centrale du four. Les couches externes dans lesquelles la réaction est incomplète sont recyclées dans une nouvelle production.

Productions

Capacités de production du carbure de silicium

En milliers de t/an, en 2021 sur un total mondial de 1 million de t/an. Source : USGS

en milliers de t/an
Chine 450 Brésil 40
Norvège 80 États-Unis 40
Japon 60 Allemagne 35
Mexique 45 Venezuela 30

Source : USGS

En 2021, la production des États-Unis est de 35 000 t.

Commerce international : en 2021.

Principaux pays exportateurs sur un total de 568 949 t, en 2020 :

en tonnes
Chine 374 891 Allemagne 34 694
Pays Bas 82 982 Roumanie 29 793
Russie 48  323 Belgique 22 184
Brésil 42 523 Ukraine 16 872
Vietnam 34 699 Pologne 13 547

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinées à 31 % aux États-Unis, 19 % au Japon, 12 % à la Corée du Sud, 10 % aux Pays Bas, 5 % à l’Inde.

Principaux pays importateurs :

en tonnes
Allemagne 125 139 France 34 545
États-Unis 124 643 Pologne 27 765
Japon 73 765 Belgique 22 156
Corée du Sud 61 957 Norvège 21 229
Inde 50 110 Suède 20 516

Source : ITC

Les importations allemandes proviennent à 39 % des Pays Bas, 15 % de Chine, 8 % de Roumanie.

Producteurs

  • Fiven, a été créée, en mai 2019, à partir des activités, sauf en Inde, de Saint-Gobain dans le domaine du carbure de silicium. Les filiales Norton et Carborundum, possèdent une capacité de production de 170 000 t/an dans leurs usines en Norvège à Lillesand et Arendal avec 67 000 t/an de capacité, au Venezuela, à Puerto Ordaz, au Brésil à Barbacena et en Belgique à Hody.
  • Grindwell Norton, est une filiale de Saint-Gobain avec des productions à Tirupati, dans l’État de l’Andhra Pradesh, en Inde et à Phuentsholing, au Bhutan.
  • REF-Processing avec ses filiales ESD-SIC et ESK-SIC produit du carbure de silicium à Grefrath, en Allemagne avec une capacité de 33 000 t/an et à Delfzijl, aux Pays Bas, avec 65 000 t/an.
  • Washington Mills, possède une capacité de production de 60 000 t/an, aux États-Unis, à Hennepin dans l’Illinois et, en Norvège, à Orkanger.
  • Volzhsky Abrasive Works, filiale du groupe indien Carborundum Universal Limited (CUMI), possède en Russie une capacité de production de 70 000 t/an. Par ailleurs CUMI produit du carbure de silicium en Inde, en particulier à Koratty.

Situation française

En 2021.

Production : la capacité de production est de 20 000 t/an.

Commerce extérieur :

Les exportations étaient de 1 611 t avec comme marchés principaux à :

  • 56 % l’Espagne,
  • 19 % l’Allemagne,
  • 18 % la Belgique.

Les importations s’élevaient à 34 545 t en provenance principalement à :

  • 29 % d’Allemagne,
  • 13 % de Belgique,
  • 8 % des Pays Bas,
  • 7 % d’Italie.

Utilisations

La consommation des États-Unis, en 2021, est de 110 000 t.

Secteurs d’utilisation du carbure de silicium

Abrasifs 50 % Produits réfractaires 15 %
Métallurgie 35 %

Autres utilisations

On retrouve le carbure de silicium dans d’autres usages :

  • Comme résistances électriques.
  • Dans des automobiles pour élaborer des roues de turbocompresseur, des joints de pompe à eau…
  • Des fibres monocristallines de SiC (whiskers) de 1 µm de diamètre et de 10 à 100 µm de longueur sont produites et utilisées comme fibres de renforcement de céramiques (par exemple Al2O3 avec 25 à 30 % en masse de SiC), de métaux (par exemple l’aluminium qui atteint ainsi le module élastique de l’acier tout en n’ayant que 1/3 de sa masse volumique), de polymères. Des alumines renforcées aux fibres sont utilisées dans l’usinage de superalliages utilisés dans l’aéronautique, l’aluminium renforcé dans la fabrication de pistons pour les automobiles.
  • Dans la réalisation de miroir pour télescopes spatiaux. Par exemple, le miroir du télescope Herschel de 3,5 m de diamètre est constitué de 12 segments en carbure de silicium assemblés par brasage. Ils ont été élaborés par frittage à 2100°C par la société Mersen Boostec filiale du groupe Mersen à Bazet (65).
  • En électronique, sous forme monocristalline, comme semi-conducteur, il concurrence le silicium grâce aux bonnes propriétés suivantes :
    • Large bande interdite.
    • Bonne conductivité et stabilité thermique.
    • Mobilité des porteurs de charges importantes.
    • Bonne résistance mécanique.
    • Bonne résistance aux rayonnements.

La large bande interdite permet au carbure de silicium de travailler à de hautes températures avec des courants et tensions élevés, de supporter des densités de puissance importantes et de réduire les pertes. Les wafers ont jusqu’à maintenant des diamètres de 150 mm et une transition vers des diamètres de 200 mm est en cours. Ce matériau est destiné à des applications électroniques en milieux « hostiles » tels que les secteurs militaire et spatial et surtout aux automobiles électriques. En 2019, le groupe franco-italien STMicroelectronics a acheté la société suédoise Norstel qui produit à Norrkoping, en Suède, des wafers de 150 mm de diamètre en vue de produire, en Europe, à compter de 2022 des wafers de 200 mm. Par ailleurs, la société Wolfspeed a construit une usine de wafers en SiC de 200 mmm à Mohawk Valley dans l’État de New York qui a été inaugurée en avril 2022. Un autre producteur important est la société SiCrystal, filiale du groupe japonais Rohm.

Bibliographie