Resistencia y conductividad térmica del carburo de silicio

El carburo de silicio es una cerámica cristalina de excepcional dureza, resistencia y conductividad térmica, capaz de soportar altas temperaturas sin dilatación térmica y estabilidad química.

Recientemente, hemos publicado valores récord de conductividad térmica (k) de cristales fonónicos isotrópicos a temperatura ambiente en cristales masivos de 3C-SiC a escala de oblea a temperaturas superiores a la temperatura ambiente; nuestra cifra era más de 50% superior a la de los productos comerciales de 6H-SiC y AlN.

1. Baja expansión térmica

Los materiales cerámicos de carburo de silicio son capaces de mantener su resistencia a temperaturas elevadas y, al mismo tiempo, resistir los choques térmicos, una característica importante si se tiene en cuenta que los cambios bruscos de temperatura pueden crear tensiones térmicas en los materiales y provocar microfisuras.

El bajo índice de expansión térmica del carburo de silicio lo convierte en un material excelente para aplicaciones aeroespaciales y espaciales, mientras que también se utiliza con frecuencia como blindaje antibalas por su capacidad para resistir impactos de bala.

El amplio bandgap del carburo de silicio es otra característica clave que lo distingue como un material semiconductor excepcional. En el carburo de silicio, esta barrera de energía se encuentra entre la banda de valencia y la banda de conducción; es más estrecha que la de los conductores, pero mucho más ancha que la de los aislantes, lo que permite que la electricidad fluya más fácilmente entre estas bandas. El carburo de silicio puede convertirse en semiconductor de tipo p dopándolo con dopantes de aluminio, boro o galio, mientras que también pueden añadirse dopantes de nitrógeno o fósforo, lo que producirá un semiconductor de tipo n.

2. Alta conductividad térmica

La excelente conductividad térmica del SiC le permite disipar el calor con rapidez, lo que ayuda a proteger los dispositivos electrónicos contra la degradación de su rendimiento o el acortamiento de su vida útil debido a temperaturas excesivamente altas.

El carburo de silicio destaca como material ideal para su uso en aplicaciones metalúrgicas debido a sus cualidades duraderas, alta resistencia mecánica, inercia química, bajo coeficiente de expansión térmica y resistencia superior al choque térmico. Además, presenta una excelente resistencia a la corrosión y es capaz de soportar temperaturas muy elevadas.

El carburo de silicio fue sintetizado por primera vez por el pensilvano Edward Acheson en 1891 calentando una mezcla de arcilla y coque en polvo en un recipiente de hierro con un electrodo de carbono. En la actualidad, el carburo de silicio se ha convertido en uno de los materiales cerámicos industriales más utilizados; se consumen más de 1 millón de toneladas al año en todo el mundo. La excelente resistencia al choque térmico del carburo de silicio se debe a su alta conductividad térmica y a sus propiedades de baja expansión térmica; por eso se utiliza mucho en los espejos de los telescopios astronómicos y en las placas de blindaje de los chalecos antibalas.

3. Alta resistencia al choque térmico

El carburo de silicio ofrece una excelente resistencia al choque térmico y puede soportar cambios bruscos de temperatura, por lo que es adecuado para su uso en entornos difíciles. Además, soporta bien la exposición a ácidos y álcalis, lo que supone una ventaja adicional en términos de resistencia química.

El carburo de silicio destaca entre otros materiales refractarios por no descomponerse en óxidos a altas temperaturas y ser químicamente inerte, excepto con respecto al agua.

El carburo de silicio puro se comporta como un aislante eléctrico; sin embargo, añadiendo impurezas controladas puede servir como semiconductor. El dopaje con aluminio, boro o galio crea semiconductores de tipo P con mayor resistencia a la tensión que el silicio estándar, lo que los hace adecuados para aplicaciones en vehículos eléctricos o sistemas de generación de energía, así como para placas de chalecos antibalas. Los refractarios también lo utilizan para ayudar a gestionar eficazmente los flujos de corriente, una ventaja sobre sus propiedades aislantes.

4. Alta conductividad térmica

La estructura reticular de enlaces entre átomos de carbono y silicio del carburo de silicio da como resultado un material excepcionalmente duro con una alta conductividad térmica y una baja expansión térmica, lo que lo hace capaz de soportar condiciones duras como entornos de alta temperatura y tensión.

La conductividad térmica del carburo de silicio sinterizado depende de muchas variables, como el tipo de aditivo de sinterización, el tamaño de grano y la composición de las fases y la microestructura. Por lo tanto, identificar sus aspectos más críticos para mejorar la conductividad térmica.

Nuevas investigaciones han descubierto que el 3C-SiC presenta una elevada dispersión de fonones debido a su pureza y calidad cristalina, lo que le confiere unas excelentes propiedades de transporte que podrían convertirlo en un excelente semiconductor de banda prohibida ancha para aplicaciones de electrónica de potencia. Gracias a su resistencia a la corrosión química, la oxidación, el desgaste, las aplicaciones de tecnología de sellado dinámico y los componentes industriales, el SiC también resulta ser una opción duradera en lo que respecta a las aplicaciones de gestión térmica, ya que sigue siendo resistente a estos factores.

5. Banda prohibida ancha

La banda prohibida se refiere a la cantidad de energía que necesitan los electrones y los huecos para pasar de la banda de valencia a la banda de conducción. El carburo de silicio y el nitruro de galio tienen bandas prohibidas mayores que los materiales semiconductores tradicionales, como el silicio, para poder funcionar a voltajes y temperaturas más elevados.

Los semiconductores de banda prohibida ancha, como el carburo de silicio y el nitruro de galio, se han hecho un hueco en la electrónica de potencia y la optoelectrónica, donde mejoran la eficiencia y reducen las pérdidas de energía. Su alta tensión de bloqueo y baja resistencia a la conexión hacen que estos semiconductores sean adecuados para velocidades de conmutación más altas y entornos de radiación.

La excelente conductividad térmica de los semiconductores de banda ancha es esencial en aplicaciones en las que la temperatura del dispositivo debe mantenerse bajo control para evitar el sobrecalentamiento y la degradación del rendimiento. Sus elevadas temperaturas de fusión y reducidos coeficientes de expansión térmica también permiten que el calor escape rápidamente del dispositivo.

6. Alta conductividad eléctrica

La excelente conductividad eléctrica del carburo de silicio lo convierte en un material fantástico para aplicaciones eléctricas de alto rendimiento. Puede soportar temperaturas extremas sin perder resistencia en condiciones de calor y presión intensos.

La adición de aditivos específicos durante la sinterización puede mejorar la conductividad eléctrica del carburo de silicio poroso y ayudar a disminuir la resistencia, evitando al mismo tiempo la oxidación de su estructura porosa.

Sin embargo, esto no altera la conductividad fonónica y aún puede observarse que al aumentar el tamaño del cuello la conductividad disminuye.

En la fase de producción del carburo de silicio, suele emplearse el dopaje con aluminio, boro y galio para formar un semiconductor de tipo p. Si se desea, también puede realizarse el dopaje con nitrógeno y fósforo para crear un semiconductor de tipo N y controlar así sus propiedades eléctricas. Si se desea, también se puede dopar con nitrógeno y fósforo para crear un semiconductor de tipo N y controlar así sus propiedades eléctricas. Por este motivo, esta práctica se ha convertido en habitual en la industria de los semiconductores.

7. Alta conductividad térmica

El carburo de silicio es una de las cerámicas avanzadas más ligeras, duras y resistentes que existen en la actualidad. Se utiliza ampliamente en piezas resistentes al desgaste por su solidez, resistencia a la corrosión y baja dilatación térmica, así como en refractarios por su dureza y en electrónica por su alta conductividad térmica.

El SiC se comporta como un aislante eléctrico en estado puro, pero puede transformarse en semiconductor mediante un dopaje controlado. El dopaje con aluminio, boro o galio produce un semiconductor de tipo p, mientras que el dopaje con nitrógeno y fósforo crea uno de tipo N.

El SiC es popular por su amplia banda prohibida, que permite a los electrones moverse más fácilmente entre estados energéticos. Esto, unido a una mayor movilidad de los electrones y menores pérdidas de potencia, hace del SiC un material excelente para dispositivos electrónicos como diodos y transistores, factores clave que contribuyen a su uso en aplicaciones de electrónica de potencia y optoelectrónica.

8. Alta conductividad térmica

La conductividad térmica superior y el bajo coeficiente de dilatación del carburo de silicio lo hacen resistente a los cambios bruscos de temperatura, por lo que resulta adecuado para aplicaciones exigentes en las industrias cerámica, metalúrgica y química. Su dureza y rigidez también lo hacen adecuado para su uso.

Recientemente, se ha observado que el SiC policristalino sinterizado en fase líquida (LPS) con aditivos Y2O3 y Sc2O3 ha exhibido una conductividad térmica de hasta 261,5 W/m-K; sin embargo, los factores responsables de dicho rendimiento siguen siendo poco conocidos.

Esta investigación pretende explorar la correlación entre la composición de fases, la microestructura y la conductividad térmica en muestras de LPS-SiC utilizando métodos de análisis de difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión de barrido de alta resolución y difracción de retrodispersión de electrones. Estas técnicas también permiten identificar defectos químicos o estructurales que afectan a la conductividad térmica. Los resultados demuestran que tanto la composición de fase como la microestructura influyen significativamente en la conductividad térmica;

9. Alta conductividad térmica

El carburo de silicio presenta una elevada conductividad térmica gracias a su estructura cristalina compuesta por enlaces entre átomos de carbono y silicio, lo que da lugar a bajas tasas de expansión térmica y resistencia mecánica, dos características que se combinan para hacer de este material una excelente cerámica estructural para usos industriales.

El SiC se utiliza ampliamente como material de revestimiento en reactores nucleares debido a su resistencia a la exposición a la radiación, su conductividad térmica y su tenacidad a la fractura, cualidades que se han verificado mediante experimentos y simulaciones.

Recientemente, se informó de que la conductividad térmica a temperatura ambiente de la cerámica policristalina de SiC sinterizada en fase líquida (LPS) con aditivos Y2O3-Sc2O3 alcanzaba los 261,5 W/m-K. Se cree que numerosos factores afectan a este valor, como el contenido de oxígeno/nitrógeno de la red, la porosidad, la distribución del tamaño de grano, las estructuras de los límites de grano y la transformación de fase, junto con la composición y las formulaciones de los aditivos. En este artículo se evalúa su influencia en la conductividad térmica del LPS-SiC, al tiempo que se descubren posibles conexiones ocultas entre los diversos factores.

10. Alta conductividad térmica

El carburo de silicio es una cerámica ideal para aplicaciones de alta temperatura, ya que ofrece pureza, rigidez, resistencia química y a la oxidación, baja expansión térmica y resistencia al choque térmico, características que lo hacen adecuado para uso industrial. El carburo de silicio tiene muchas aplicaciones, como bloques y ladrillos de revestimiento de altos hornos; carriles guía; absorbedores de ondas para partículas de combustible nuclear; revestimientos protectores de equipos metalúrgicos y revestimientos protectores contra el desgaste.

La electrónica y la optoelectrónica de alto rendimiento necesitan una disipación eficaz del calor para funcionar a pleno rendimiento. Por desgracia, la generación de calor localizado degrada el rendimiento al elevar la temperatura de los dispositivos.

Recientemente, unos investigadores han hecho el sorprendente descubrimiento de que los cristales de 3C-SiC independientes a escala de oblea pueden alcanzar conductividades térmicas isotrópicas a temperatura ambiente equivalentes a sus valores teóricos, en parte gracias a diversos factores, como los niveles de oxígeno/nitrógeno en la red, los niveles de porosidad, las transformaciones de fase, los cambios en la estructura de los límites de grano y la composición aditiva, que afectan a su valor de conductividad térmica. Su trabajo podría ayudar al diseño de dispositivos electrónicos de uso cotidiano que utilicen estos semiconductores.