Ventajas y usos del carburo de silicio

El carburo de silicio es un material impresionante con muchas propiedades industriales útiles. Su superficie dura y resistente hace gala de una tenacidad y una resistencia a la abrasión excepcionales, al tiempo que ofrece resistencia al choque térmico a temperaturas elevadas.

La conductividad del SiC depende de su densidad y composición, con opciones de dopaje que incluyen nitrógeno o fósforo para una aplicación de tipo n o berilio, boro, aluminio o galio como opciones de tipo p para operaciones de tipo p.

Es un semiconductor

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor avanzado. Formado cuando el silicio y el carbono se combinan a altas temperaturas, el SiC es un material duro y mecánicamente resistente, adecuado para herramientas de corte, cerámicas y metales de refuerzo; además, puede utilizarse para la construcción de dispositivos electrónicos como diodos Schottky y transistores debido a su conductividad térmica y sus propiedades de baja expansión térmica; lo que convierte al SiC en un candidato atractivo cuando se aplica a temperaturas más altas que los semiconductores tradicionales.

A diferencia de los conductores, que permiten que la electricidad pase libremente por ellos en todo momento, los semiconductores necesitan ser estimulados por corrientes eléctricas o campos electromagnéticos para iniciar la conductividad. Este proceso, conocido como dopaje, permite que los semiconductores ganen o pierdan electrones, permitiendo así el paso de la electricidad a través de ellos; según el tipo de dopante empleado, se forman distintos tipos de semiconductores.

El SiC está compuesto por átomos de silicio y carbono unidos mediante enlaces tetraédricos que confieren a esta estructura reticular única una dureza, resistencia mecánica, inercia y resistencia a los golpes considerables. Además, su baja densidad, alto módulo elástico y propiedades de expansión térmica confieren a este material una resistencia excepcional a los golpes. Por último, la alta conductividad térmica del SiC y su amplia banda de separación le permiten funcionar a frecuencias y temperaturas más altas que los semiconductores convencionales.

Para producir SiC, se calienta una mezcla de arena de sílice pura y coque en polvo en un horno eléctrico utilizando corriente eléctrica a través de un conductor de carbono. La reacción entre el carbono y el sílice forma carburo de silicio, que se muele en forma de polvo antes de reducirlo a gránulos finos para su posterior uso en capas resistentes al desgaste, o se funde en grandes bloques para su posterior procesamiento, o se corta en rodajas finas para aplicaciones electrónicas de estado sólido.

El SiC es generalmente un aislante eléctrico, pero puede modificarse para que actúe como un semiconductor con determinadas impurezas dopantes. El dopaje con aluminio y boro crea un semiconductor de tipo p; el dopaje con nitrógeno y fósforo produce un semiconductor de tipo n; y el dopaje con estaño y galio lo convierte en superconductor.

Es un buen aislante

El carburo de silicio es un excelente aislante y presenta una excepcional resistencia al choque térmico, ya que posee un bajo coeficiente de dilatación térmica y mantiene su resistencia en un amplio rango de temperaturas. El carburo de silicio es uno de los pocos materiales capaces de soportar temperaturas extremas, como las que se dan en los reactores nucleares, por lo que es un material indispensable en las industrias que requieren aplicaciones a altas temperaturas.

El carburo de silicio, comúnmente conocido como carborundo, es un mineral industrial compuesto de silicio y carbono cristalino. Como una de las cerámicas industriales más utilizadas del mundo, el carborundo sirve para diversos fines industriales, como abrasivo, aditivo del acero y material cerámico estructural. Los gránulos o el polvo pueden combinarse mediante sinterización para formar estructuras cerámicas duras. El carburo de silicio también se ha utilizado en dispositivos electrónicos que requieren altas temperaturas y tensiones, como los diodos emisores de luz (LED) o los detectores de las primeras radios.

Edward Goodrich Acheson creó por primera vez el carborundo durante su intento de producir diamantes artificiales en 1891; en su lugar, descubrió un nuevo material al que dio el nombre de "carborundo". Desde entonces se ha producido en masa para su uso como abrasivo y aditivo del acero, así como para aplicaciones cerámicas y semiconductoras.

Este aislante está formado por cristales hexagonales densamente empaquetados con átomos de carbono. A temperatura ambiente, su conductividad intrínseca es extremadamente alta debido a los cationes presentes en sus estructuras cristalinas, que crean una diferencia de potencial eléctrico. Además, su densa composición aumenta las vibraciones fonónicas dentro de su material, lo que incrementa la conductividad térmica.

El descubrimiento del carburo de silicio por Acheson dio lugar a varias innovaciones, como el horno Acheson, que sigue utilizándose hoy en día. Henri Moissan, en Francia, también utilizó varios métodos para sintetizarlo; por ejemplo, disolviendo carbono en sílice líquida o fundiendo mezclas de carburo de calcio y sílice con coque.

El carburo de silicio es un material sólido con propiedades aislantes; sin embargo, también puede alterarse para que presente características semiconductoras cuando se dopa con aluminio u otros elementos. El dopaje cambia la polarización y afecta a su coeficiente Seebeck, que mide el tipo de conductividad.

Es un buen conductor

El carburo de silicio es un material sintético muy duro producido desde finales del siglo XIX para su uso en lijas y muelas abrasivas. Además, este semiconductor presenta una gran conductividad eléctrica y es capaz de soportar altas temperaturas y resistir la oxidación, lo que lo hace adecuado para aplicaciones químicas y nucleares, al tiempo que ofrece propiedades superiores de solidez y resistencia a la abrasión.

Se utiliza un horno Acheson para combinar arena de sílice y coque de petróleo como fuentes de carbono y, a continuación, se controla cuidadosamente este proceso para producir granos cristalinos de SiC verde o negro con diversos niveles de pureza en función de la pureza de sus materias primas. El SiC verde suele indicar mayores niveles de pureza.

El carburo de silicio se diferencia significativamente de la alúmina por ser mucho más duro y tener mejores propiedades de resistencia al desgaste y a la corrosión, excelentes propiedades de conductividad térmica y poseer un bajo coeficiente de dilatación térmica. Además, el carburo de silicio ofrece buenas propiedades mecánicas y puede moldearse fácilmente en diversas formas, mientras que su elevada conductividad eléctrica lo convierte en un material excelente para dispositivos electrónicos.

El carburo de silicio en estado puro es un aislante eléctrico; sin embargo, se puede expresar su semiconductividad. Su conductividad depende de la anchura de su banda prohibida, que determina si se comporta como material aislante o semiconductor; las bandas prohibidas anchas producen materiales que se comportan como aislantes, mientras que las bandas prohibidas estrechas dan lugar a materiales semiconductores.

Como contiene altas concentraciones de átomos de carbono, su conductividad eléctrica superior puede atribuirse a que se unen estrechamente entre sí y forman dos tetraedros de coordinación primaria con cuatro átomos de silicio y cuatro de carbono unidos en sus esquinas, uniéndolos entre sí a través de las esquinas para formar estructuras de tipo poli que interactúan con los electrones de forma diferente y presentan muchos fenómenos fascinantes.

El carburo de boro (B4C), es otro gran conductor eléctrico. Gracias a su resistencia superior a la abrasión y la corrosión, el B4C se utiliza ampliamente como material de muelas abrasivas, material de revestimiento refractario para hornos industriales, escudos térmicos para hornos, así como para posibles usos en blindajes militares o chalecos antibalas.

Es un buen conductor térmico

El carburo de silicio es uno de los principales conductores térmicos cerámicos no oxidados, con una conductividad térmica extremadamente alta y una conductividad eléctrica moderada, por lo que se utiliza ampliamente en las industrias metalúrgica, química y eléctrica. Además, esta cerámica tiene excelentes propiedades mecánicas y es muy resistente a la corrosión.

El carburo de silicio (SiC) es un material inorgánico compuesto de silicio y carbono fusionados mediante fuertes enlaces covalentes, lo que le confiere propiedades semiconductoras de banda ancha y lo hace adecuado para aplicaciones electrónicas debido a sus propiedades semiconductoras de banda ancha. El SiC ofrece una excelente conductividad térmica, así como un bajo coeficiente de dilatación, dos ventajas que lo hacen adecuado para aplicaciones de resistencia al choque térmico.

Las propiedades del carburo de silicio lo convierten en una opción excelente para aplicaciones que implican altas temperaturas y entornos difíciles, como revestimientos de hornos, ladrillos, carriles guía en plantas de procesamiento de metales, así como revestimientos protectores resistentes a la abrasión y la erosión; además, su resistencia química, a la oxidación y al desgaste lo hacen adecuado para la industria petroquímica.

El carburo de silicio posee una excepcional conductividad térmica y un bajo coeficiente de dilatación. Además, su resistencia a los ácidos lo hace ideal para aplicaciones que requieren resistencia al desgaste físico, como boquillas de pulverización, boquillas de granallado y componentes de ciclones, con una excelente resistencia a la erosión y la abrasión, además de ser fácil de fabricar y tener un impresionante valor de módulo de Young.

La producción de carburo de silicio se realiza de varias formas, pero el proceso de unión por reacción destaca como uno de los métodos más rápidos y rentables disponibles para crear carburo de silicio de alta resistencia. Consiste en mezclar polvo de SiC con carbono en polvo y plastificante en las formas deseadas antes de quemar el plastificante e infundir el objeto cocido con infusión de silicio gaseoso o líquido para el fuego. Se puede reprocesar muchas veces sin que disminuya la resistencia: ¡todo un sello de durabilidad para cualquier producto!

Otros métodos utilizados para producir SiC poroso son el grabado electroquímico de SiC masivo, la reducción carbotérmica/magnesiotérmica de compuestos de carbono y sílice, y el nanocasting mediante policarbosilanos; ninguno de estos procesos ha demostrado aún ser comercialmente viable.