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Carbures métalliques

Dossier - Mille et une facettes du carbone
DossierClassé sous :chimie , carbone , polymère

Le carbone a été découvert dès la préhistoire et était produit par la combustion incomplète des matières organiques produisant du charbon. C'est un élément chimique de la famille des cristallogènes : ambre, encre de Chine, carbure, graphite, noir animal, charbon actif, diamant, crayon, etc. Tous ces mots ont un lien direct avec le carbone : c’est ce que ce dossier va vous faire découvrir en traitant du carbone sous un angle moins « chimique » que d’habitude.

  
DossiersMille et une facettes du carbone
 

Les carbures métalliques sont des molécules qui font intervenir le carbone et un métal, le plus souvent, ou un non-métal comme le silicium. Le méthane pourrait être considéré comme du carbure d'hydrogène.

Une calebonde spéléo contient du carbone de calcium impur. © Hans, Pixabay, DP

Cémentite ou carbure de Fe : Fe3C

C'est un composé cristallin de fer et de carbure de fer, la cémentite est magnétique jusqu'à 210 °C. C'est une combinaison très dure mais très fragile. Elle a une très bonne tenue à l'abrasion et à l'érosion. Elle est très présente dans d'autres constituants : perlite, tröstite, sorbite.

Carbure de silicium : formule chimique SiC

Le carbure de silicium est aussi connu sous le nom de carborundum ou de moissanite. Formule chimique SiC, composé noir dont la température de fusion avoisine les 3.000 K, et la densité est de 3,217. Sa dureté est de 30 GPa, son module d'Young de 450 GPa et sa résistance à la flexion de 400 MPa. 

Minéral presque exclusivement artificiel, il est utilisé :

  • en bijouterie, sous le nom de moissanite, comme imitation du diamant ;
  • comme abrasif : carborundum (marque déposée de DuPont) ;
  • en électronique, comme semi-conducteur à large bande ;
  • avec l'aluminium, pour former l'Al-SiC, un isolant aux propriétés thermiques intéressantes  ;
  • en mécanique ;
  • dans la construction de certains fours.
Carbure de silicium : formule SiC.

La « moissanite » a été synthétisée par le chimiste français Henri Moissan (1852-1907. Le carbure de silicium est formé par action à chaud du silicium sur le carbone ou par réduction de la silice par un excès de carbone. Les carbures sont des corps thermiquement stables, durs et chimiquement inertes.

Moissanite. © Andrew Silver, Wikimedia commons, DP

La carborandite est une céramique composée de silicium et de carbone. C'est un minéral artificiel résultant du chauffage à plus de 1.200 °C d'un mélange de carbone et de silice en présence d'un fondant contenant des éléments métalliques. La couleur du minéral peut varier selon son état d'oxydation. Déchet de fabrication du carborundum, il est apprécié des collectionneurs de minéraux. C'est une pierre très légère et résistante aux chocs. 

Carbure de tungstène (WC)

Il est très utilisé dans les outils de coupe (55 %), les trépans (20). Le principe de fabrication des carbures cémentés est le suivant : la poudre de W est portée à 1.500 °C en présence de noir de fumée. WC ainsi obtenu est broyé en présence, éventuellement, de poudre de Co et /ou de TiC et TaC. La poudre  est pressée puis frittée sous vide à 1.400 °C. On obtient ainsi un composite, formé d'une phase très dure (WC) dans une phase liante (Co). Exemple de composition : WC : 88 %, Co : 12 %.

Carbure de tungstène. © httpmateriaux.ecam.fr

Carbure de calcium et lampe de mine

Préparation : coke et chaux vive sont broyés puis tamisés séparément. Le mélange coke-chaux vive est introduit dans un four électrique et à 1.800 °C, le mélange se transforme en carbure de calcium par passage d'un courant électrique de fort ampérage.

Le carbure de calcium réagit avec l'eau pour donner de l'acétylène et de la chaux éteinte. L'acétylène est un gaz très inflammable, très instable, très explosif, sans odeur donnant une flamme très blanche et très chaude. Le carbure de calcium utilisé n'est pas pur et la réaction va former d'autres gaz tel que la phosphine (PH3) et le sulfure d'hydrogène (H2S).

Utilisation du carbure de calcium en spéléologie

En spéléologie, l'acétylène est fabriqué dans la calebonde par réaction avec l'eau au fur et à mesure de sa consommation, ce qui exclut tout danger d'explosion si la calebonde est correctement utilisée.

L'acétylène ainsi formé est enflammé au niveau du casque par une étincelle. Si la combustion n'est pas totale il y a formation de carbone solide et de monoxyde de carbone. Le réglage de la calebonde est donc important pour avoir un débit suffisant d'acétylène sous peine d'asphyxie !

Une calebonde spéléo contient environ 400 grammes de carbure de calcium impur. En admettant 20 % d'impuretés, il reste 320 grammes de carbure pouvant former de l'acétylène. La réaction du carbure de calcium va consommer 187,6 grammes d'eau et former 5,2 mol d'acétylène.

Si le réglage d'eau est correctement effectué, la pression d'acétylène est légèrement supérieure à la pression atmosphérique. La calebonde en fonctionnement atteint une température d'environ 50-60 °C. À une pression d'environ 1.2 bars, on peut avoir huit heures d'éclairage.