Espuma de carburo de silicio

La espuma de carburo de silicio es un material polivalente con numerosos usos. Presume de una gran resistencia a la tracción y conductividad eléctrica, al tiempo que resiste la corrosión de ácidos y álcalis.

El SiC estructurado en espuma es un nuevo e innovador material portador de catalizadores, que ha demostrado poseer excelentes propiedades mecánicas y térmicas, así como una elevada porosidad y superficie. Este material ofrece varias ventajas sobre sus predecesores, como la sílice, la cerámica de alúmina y el carbón activado.

Alta porosidad

La cerámica espumada presenta estructuras de red tridimensionales especiales y una alta porosidad con una densidad aparente relativamente baja, lo que la convierte en un material excelente para filtrar líquidos corrosivos y contaminantes medioambientales, transferencia de calor, absorción de energía y aplicaciones de resistencia a la presión. Además, también pueden servir como medio filtrante en equipos de transporte, maquinaria y aplicaciones de defensa nacional.

Existen varias técnicas de fabricación para producir cerámicas porosas de carburo de silicio (SiC). Estos métodos incluyen técnicas de réplica, métodos de plantilla de sacrificio y métodos de espumado; el espumado suele emplear compuestos orgánicos que se descomponen sin dejar residuos durante la cocción, como microesferas de poli(metacrilato de metilo), como marcadores de posición para formar parte de la porosidad final de la cerámica.

Las espumas de SiC de célula abierta producidas son porosas, con una porosidad media de 73,4 vol%, debido a la presencia de tensioactivos que reducen la tensión interfacial gas-líquido y evitan el adelgazamiento y la rotura de las burbujas, además de tener una impresionante resistencia a la flexión de hasta 1,6 MPa.

Para crear espumas de célula abierta, el alilhidridopolicarbosilano líquido se reticuló con dimetilsulfuro de borano (BDMS, fuente de boro) para formar policarbosilano sólido modificado con boro que se mezcló en una proporción de 20:80 con microesferas de PMMA para prensado en caliente antes de ser pirolizadas a 1000 grados C en argón para formar espumas de SiC con poros definidos y microestructura que se identificaron mediante análisis de microscopía electrónica de barrido (SEM) así como mediciones de porosimetría de mercurio.

Durabilidad a altas temperaturas

El carburo de silicio (SiC), comúnmente conocido como carborundo, es un compuesto químico extremadamente duro formado por silicio y carbono. El carburo de silicio, que se encuentra en la naturaleza en forma de gema moissanita, se produce en masa en forma de polvo y cristales para su uso como material abrasivo debido a sus propiedades semiconductoras de banda ancha y su resistencia a altas temperaturas.

Los abrasivos cerámicos de célula abierta de SiC con porosidades superiores a 80% y tamaños de célula que van de micras a milímetros se utilizan comercialmente en aplicaciones que van desde la filtración de metal fundido, quemadores radiantes, soportes de catalizadores, mobiliario de hornos y limpieza de líneas con acumulación de dureza o cascarilla de laminación. Los abrasivos cerámicos de espuma también constituyen una solución excelente para los servicios de limpieza de líneas que tienen dificultades para llegar a materiales más duros debido a la acumulación de dureza o cascarilla de laminación.

Las espumas con grupos Si-H constituyen precursores precerámicos ideales, por lo que se combinan con precursores de aerogeles para crear cerámicas finales. Sus espectros XRD y FTIR demuestran que estos grupos Si-H han formado enlaces cruzados con anillos aromáticos de divinilbenceno para garantizar la estabilidad mecánica y formar compuestos precerámicos que se adhieren a esta teoría.

Los abrasivos espumados tienen una extraordinaria resistencia a la tracción comparada con la de la alúmina, de 280 MPa y 440 GPa respectivamente, lo que proporciona una notable resistencia y durabilidad durante aplicaciones a altas temperaturas en las que otros materiales se degradan o descomponen con facilidad. Los experimentos de fatiga térmica en espumas de Si-SiC sobre Al2O3 a 800 y 1000 degC revelan esta ventaja, con menos macrofisuras desarrollándose a través de las superficies de fractura como resultado de los experimentos de fatiga térmica en espumas de Si-SiC abrasivos sobre Al2O3 ensayos de fatiga térmica a 800 y 1000 degC los estudios de fatiga térmica proporcionan pruebas de este rendimiento superior cuando se exponen a temperaturas extremas (800 y 1000 degC respectivamente). Los experimentos de fatiga térmica demuestran que esta ventaja es superior a la del Al2O3 en términos de resiliencia; los ensayos de fatiga térmica realizados en condiciones en las que otros materiales se degradarían rápidamente; los ensayos de fatiga térmica realizados en condiciones que demuestran su uso frente a su homólogo de aluminio, en las que otros materiales se degradarían o descompondrían fácilmente al ser sometidos a temperaturas (800 y 1000 degC), siendo menos frecuente la aparición de macrogrietas en las superficies de fractura debido a la exposición a temperaturas más bajas.

Alta conductividad

El carburo de silicio es un material excepcional conocido por su resistencia a entornos químicos agresivos. Con una densidad específica de 3,21 g/cm3, el carburo de silicio destaca por ser un material más denso que la cerámica, pero menos denso que algunos metales. Además, este versátil material presenta buenas características de moldeabilidad y resistencia a la tracción que le permiten adaptarse fácilmente a diversas aplicaciones.

Esta característica hace que la fibra de carbono sea importante en varias aplicaciones, incluidas las que requieren durabilidad y resistencia a altas temperaturas, con su capacidad para resistir daños físicos por impacto y presión, así como su excepcional índice de dureza de Mohs 9, que le proporciona una excelente resistencia a la abrasión, algo esencial cuando se utiliza para la pigmentación de líneas.

Las espumas cerámicas también presentan una alta conductividad térmica en comparación con otros materiales cerámicos, lo que las hace especialmente útiles en aplicaciones con materiales de cambio de fase (PCM). Sus celdas y ligamentos permiten una transferencia eficaz del calor entre los fluidos que fluyen a través de ella, aumentando así las tasas de acoplamiento y, por tanto, la eficiencia.

Las espumas cerámicas son conocidas por su conductividad eléctrica. Esta cualidad proviene de su núcleo de carbono vítreo reticulado que ha sido recubierto de carburo de silicio, complementando sus altas resistencias mecánicas y tolerancia a la temperatura. Además, los cerámicos de espuma Duocel (r) se caracterizan por su gran superficie, que acelera el flujo de fluidos y ayuda a reducir los tiempos de inactividad de la línea y los costes de limpieza; su conductividad eléctrica se mantiene constante también a temperaturas más elevadas.

Resistencia a la corrosión a altas temperaturas

La espuma de carburo de silicio ofrece una excelente resistencia a la corrosión a altas temperaturas, lo que la convierte en el material ideal para aplicaciones como sistemas de protección térmica y estanterías de hornos y reactores. Esto se debe a su bajo coeficiente de expansión térmica, alta resistencia mecánica y comportamiento indeformable cuando se expone a temperaturas elevadas. Además, su estructura de red especial aumenta la superficie de los poros para absorber rápidamente más moléculas de líquidos y gases sin dejar que fluyan libremente y causen contaminación.

Además, su excelente moldeabilidad y procesamiento con herramientas de diamante lo hacen ideal para producir piezas complejas de grandes dimensiones y formas intrincadas. Además, no sufre corrosión por ácidos y álcalis al filtrar líquidos, por lo que se evitan los depósitos en su superficie de soluciones ácidas y alcalinas y se reducen drásticamente el tiempo y los costes de mantenimiento de los sistemas que utilizan este material.

La espuma de carburo de silicio presenta un coeficiente de transferencia de calor mejorado gracias a su estructura de red espacial especial, lo que la hace adecuada para aplicaciones como el tratamiento térmico de componentes electrónicos, placas de fondo de lecho fluidizado, humidificadores y calderas de agua. Además, el material mejora la eficacia de la recogida de humos de motores diésel, lo que lo convierte en una opción viable para los colectores de gases de escape.

Sinterización a baja presión

La sinterización de la espuma cerámica de carburo de silicio puede completarse a presión atmosférica sin necesidad de alta temperatura o atmósfera inerte, lo que reduce significativamente los costes de producción de las empresas. Además, esta espuma cerámica no se corroe fácilmente en ambientes ácidos o alcalinos al filtrar el líquido, por lo que no contamina el líquido metálico filtrado. Como resultado de sus características de diseño y filtrabilidad, se pueden fabricar fácilmente productos de gran tamaño o forma compleja mediante este método de sinterización.

Las cerámicas de nitruro de silicio y SiAlON se sinterizan normalmente sin presión utilizando un horno de vacío; sin embargo, cuando se utilizan composiciones con pocos aditivos que liberan nitrógeno durante el calentamiento y la sinterización, se produce la volatilización del nitrógeno; por lo tanto, se requieren aplicaciones de alta presión para evitar eficazmente la volatilización durante el calentamiento y la sinterización.

Para hacer frente a estos retos, desarrollamos la sinterización a baja presión (LPS). Esta técnica utiliza la presión del gas atmosférico por encima de un valor umbral para evitar la pérdida de nitrógeno durante la sinterización y puede producir densidades mucho más altas que los métodos tradicionales.

El LPS también facilita ciclos de sinterización rápidos y productos de forma casi neta, lo que le confiere una ventaja sobre los métodos de aglomeración por reacción utilizados actualmente para fabricar cerámicas de carburo de silicio grandes y complejas. Además, este proceso permite que materiales distintos se sintericen juntos con mayor facilidad, lo que posibilita la formación de nuevos materiales compuestos que podrían aumentar las tasas de reciclaje al aprovechar materiales de desecho que normalmente se tirarían y combinarlos con material cerámico para crear nuevos materiales compuestos con propiedades únicas y deseables.

Filtración a baja presión

Los filtros de espuma cerámica de carburo de silicio pueden utilizarse para la filtración de metal fundido con el fin de eliminar las inclusiones no metálicas del líquido de aluminio y purificarlo, mejorando en gran medida la calidad de la fundición, disminuyendo las pérdidas de chatarra y mejorando la eficiencia de la producción. Los filtros de espuma están disponibles en tres grados de porosidad: 10, 20 ó 30 ppi, en función de las condiciones de funcionamiento y los efectos de filtración deseados. Es crucial que seleccione un filtro eficaz adaptado a estas condiciones de funcionamiento para obtener el máximo impacto de filtración.

Las espumas cerámicas ofrecen características superiores a las de otros materiales tradicionales utilizados para la filtración de metales fundidos: mayor porosidad, conductividad térmica, resistencia mecánica, resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión. Además, sus superficies irregulares contienen numerosos microporos que crean una intrincada estructura de red, ampliando enormemente el área de contacto entre fases. Con estas propiedades, la espuma cerámica de carburo de silicio se perfila como el soporte catalizador de nueva generación que sustituirá a los soportes catalizadores tradicionales de sílice, alúmina y carbón activado.

Las espumas cerámicas pueden recubrirse con nanocables para ampliar sus funciones y rendimiento en aplicaciones de separación difíciles. Cuando se sumerge en aluminio fundido, un filtro recubierto de nanocables muestra una elevada eficacia de captación de iones, mientras que sus filamentos de espuma de celdas abiertas desarrollan texturas similares a pelos para una eficacia de captación aún mayor. Además, los nanocables pueden disponerse de modo que formen una superficie filtrante ininterrumpida para facilitar la filtración de aerosoles de alta eficacia y baja presión -ideal para su uso en hornos de la industria química, generadores de vapor, quemadores radiantes y quemadores adiabáticos de alta presión-, ya que presentan un tamaño reducido, un funcionamiento que ahorra combustible, así como un amplio rango de regulación de potencia, una combustión estable y bajas emisiones contaminantes en comparación con sus homólogos.