Fabrication du SiC Boostec®

Les propriétés du carbure de silicium fritté Boostec®

L’ESA sélectionne le SiC Boostec® pour sa mission spatiale EUCLID Boostec vient de remporter un contrat avec son partenaire Astrium, le leader européen du secteur spatial, pour la réalisation du télescope spatial EUCLID. Il s’agit d’un grand télescope « tout SiC ». Il est équipé d’un miroir primaire monoli-thique de 1,25m de diamètre, revêtu de SiC CVD1. Boostec a été sélectionné pour son expérience, ses compétences et ses capacités de production; c’est la seule société au monde capable de produire des pièces en SiC aussi complexes et de telles dimensions.

EUCLID est une mission de l’ESA (Agence Spatiale Européenne) qui vise à comprendre la nature de l’énergie et la matière noires qui composent l’essentiel de l’Univers.

Expert en matériaux, depuis ses origines liées à la fabrication du graphite synthétique, Mersen n’a cessé, tout au long de son histoire, d’aborder des champs d’applications variés et d’étendre son expertise à des matériaux adaptés aux environnements très exigeants, comme les hautes températures et la forte corrosion.

Cet article se penche sur un matériau aux applications et au potentiel exceptionnels, le carbure de silicium, qui a pris une place significative dans le Groupe avec l’acquisition de Boostec en 2010.

Mersen au cœur des matériaux hautes performances : le carbure de silicium

InnovationJuin 2013 - N°16

Le SiC Boostec® est une céramique technique obtenue par frittage2. La technolo-gie Boostec® permet d’obtenir des pièces monolithiques (jusqu’à 1,60 x 1,20m) par une succession d’opération :

2 Le frittage naturel est un processus de densification sans fusion, à haute température, sans apport de pression externe. Il permet de transformer un comprimé de poudre en un matériau dense, rigide, dur.

1 La CVD (Chemical Vapor Deposition) est un procédé utilisé pour produire des matériaux de haute performance, et de grande pureté. Il est notamment souvent utilisé dans l'industrie du semi-conducteur pour produire des couches minces.

Il existe des formes diverses de carbure de silicium avec des propriétés variées. On peut citer sans être exhaustif, sa capacité à bien résister aux agressions chimiques, à l’abrasion et à l’usure (notamment pour les bagues et paliers, échangeurs, réacteur, tubes), sa stabilité dimensionnelle et sa rigidité (instruments pour le spatial, pour la métrologie) et ses propriétés balistiques (blindage).

Mais, suivant leur mode de fabrication, certaines des qualités seront particulière-ment exacerbées et rares. Le SiC Boostec® est un SiC fritté naturel. Il est utilisé notamment pour sa rigidité élevée, son faible coefficient de dilatation et sa grande conductivité thermique. Il permet une stabilité thermomécanique exceptionnelle qu’aucun autre matériau industriel ne permet d’atteindre. Ces propriétés permettent à Mersen de proposer des produits en SiC pouvant être revêtus de SiC CVD1 pour de nombreux marchés comme la pharmacie, les équipements pour l’industrie des semi-conducteurs ou encore l’instrumentation optique ou scientifique.

Les poudres minérales (SiC et ajout de frittage) sont d’abord mélangées avec les auxiliaires organiques de mise en forme dans un broyeur à galets en présence d’eau. La suspension aqueuse obtenue est ensuite pulvérisée dans une colonne séchante afin d’obtenir un granulé apte au pressage.

Ces granulés vont se lier entre eux sous l’action de la pression lors de l’étape de mise en forme généralement réalisée par pressage isostatique à tempéra-ture ambiante. C’est à ce moment-là que l’on peut procéder à des opérations d’usinage complexes, l’ébauche obtenue étant suffisamment solide pour les permettre. A ce niveau du procédé, le produit est dit ‘cru’ ou ‘vert’.

Après ces étapes de préparation et de mise en forme, la pièce est portée à une température supérieure à 2000°C dans une atmosphère inerte afin de la densi-fier. Le matériau devient étanche et extrêmement dur.

BOOSTEC®

Une acquisition réussie En 2010, le Groupe a fait l’acquisition de 85 % du capital de Boostec, qui possède un savoir-faire unique dans la fabrication du carbure de silicium. Le Groupe a ainsi complété sa gamme de matériaux et technologies destinés aux environnements extrêmes. Astrium (groupe EADS) détient 15% du capital de Boostec.

Les principales familles de carbure de silicium

Quelques autres applications du SiC Boostec®

Le SiC Boostec® est une céramique technique obtenue par frittage2. La technolo-gie Boostec® permet d’obtenir des pièces monolithiques (jusqu’à 1,60 x 1,20m) par une succession d’opération :

Aujourd’hui, plus de 900 000 tonnes de carbure de silicium sont produites dans le monde, principalement pour la sidérurgie, l’industrie des réfractaires, des abrasifs comme ceux utilisés pour la découpe des wafers pour l’électronique. Seule une petite proportion (de l’ordre de quelques milliers de tonnes) est dédiée aux céramiques techniques.

Les principales familles de SiC listée ci-dessous sont classées par propriétés méca-niques, thermiques et de résistance à la corrosion croissantes, et donc par coût croissant.

MIROIRS ULTRA-RAPIDES

Boostec fabrique des miroirs ultra légers, rigides et très agiles pour les systèmes de visée et scanners laser à grande vitesse (design Optosic®). L’intérêt du SiC est croissant pour les applications industrielles des lasers telles que l’usinage, la découpe, le perçage, la soudure, le marquage…

INDUSTRIE DES SEMI-CONDUCTEURS

L’industrie des semi-conducteurs utilise des wafers de silicium de plus en plus grands qui doivent assurer des positionnements toujours plus précis à un rythme de plus en plus rapide. Le SiC est utilisé pour la fabrication des supports de wafers et des structures mobiles des équipements de contrôle optique, de lithographie ou de traitements divers. Si nécessaire, le SiC fritté peut être enrobé dans un revêtement de SiC CVD étanche, de très grande pureté.

REACTEURS A FLUX CONTINUS ET ECHANGEURS DE CHALEUR

Dans le cadre d’un accord avec Corning SAS, Boostec développe et fabrique des réacteurs chimiques de haute technologie pour des systèmes à flux continus. Ces nouveaux réacteurs, apportent une réelle rupture technologique en réduisant les étapes de production et en améliorant les réactions chimiques dans des usines plus compactes et plus sécurisées. Mersen développe par ailleurs des échan-geurs de chaleur « tout SiC ».

Les poudres minérales (SiC et ajout de frittage) sont d’abord mélangées avec les auxiliaires organiques de mise en forme dans un broyeur à galets en présence d’eau. La suspension aqueuse obtenue est ensuite pulvérisée dans une colonne séchante afin d’obtenir un granulé apte au pressage.

Ces granulés vont se lier entre eux sous l’action de la pression lors de l’étape de mise en forme généralement réalisée par pressage isostatique à tempéra-ture ambiante. C’est à ce moment-là que l’on peut procéder à des opérations d’usinage complexes, l’ébauche obtenue étant suffisamment solide pour les permettre. A ce niveau du procédé, le produit est dit ‘cru’ ou ‘vert’.

Après ces étapes de préparation et de mise en forme, la pièce est portée à une température supérieure à 2000°C dans une atmosphère inerte afin de la densi-fier. Le matériau devient étanche et extrêmement dur.

5. SiC pressé à chaud

6. SiC déposé en phase vapeur

4. SiC fritté naturel

2. SiC recristallisé

1. SiC réfractaire incluant des liants céramiques (oxydes, nitrures)

Pièces réfractaires de protection pour les hautes températures (métallurgie, industrie céramique)

Optiques, industrie du silicium

3. SiC infiltré Bagues d’étanchéité, paliers, pièces de brûleurs

Blindage, composants pour les procédés du silicium

Bagues d’étanchéité, paliers, protections balistiques, optiques, échangeurs de chaleur, réacteurs pour la chimie, industrie des semi-conducteurs, (supports de wafers), miroirs

Industrie des semi-conducteurs (supports de wafers), industrie céramique (supports de cuisson)

Domaine d’expertise de Mersen