Carburo de silicio infiltrado en silicio

El carburo de silicio (SiC) es uno de los materiales cerámicos más duros y ligeros. Utilizado principalmente como aislante eléctrico, el SiC también puede doparse con nitrógeno, fósforo o boro para crear conductores de diversos tipos.

Aquí se muestran imágenes de sección transversal SEM de preformas de carbono poroso fabricadas utilizando diversas fracciones de masa y tamaños de partícula de polvo de grafito TIMREX KS 25 infiltrado con aleación Si-Zr casi eutéctica a 1500 grados C. La formación de bandas de la fase rica en Zr observada en estas preformas confirma las predicciones analíticas.

Alta rigidez específica

El carburo de silicio infiltrado (SiSiC) es un material cerámico industrial que se distingue por una elevada rigidez específica, un bajo coeficiente de dilatación térmica y una excepcional resistencia química, a la oxidación y al choque térmico. Además, este material presenta excelentes propiedades tribológicas. El SiSiC se produce infiltrando preformas porosas de carbono con silicio fundido para iniciar una reacción exotérmica entre las moléculas de carbono y las de silicio, formando un compuesto denso.

A continuación se muestran varias micrografías de preformas totalmente infiltradas a diferentes aumentos, utilizando microscopía óptica pulida. En el caso de SiCp/C, puede verse carbono sin reaccionar junto con Si formado por reacción, así como carbono sin reaccionar que aún no ha reaccionado, mientras que la mayor parte de la preforma permanece cubierta por una capa ininterrumpida de Si.

Las preformas Cf/C difieren significativamente por tener casi todo el carbono amorfo sustituido por una capa uniforme de Si, dejando sólo pequeñas cantidades de fibras de carbono restantes; este hecho se evidencia por una cinética de infiltración más lenta y una mayor capacidad de reducción del diámetro de los poros.

Baja resistencia eléctrica

El carburo de silicio (SiC) se utiliza ampliamente en la electrónica de semiconductores debido a su alto punto de fusión, baja temperatura de sinterización y propiedades de alta conductividad. Además, ofrece estabilidad a altas temperaturas sin experimentar oxidación. El carburo de silicio infiltrado con silicio (SiSIC), un material alternativo con propiedades físicas similares pero temperaturas de sinterización más bajas que produce menos poros, permite fabricar piezas más grandes y de formas más complejas y es también más rentable que la tecnología tradicional de sinterización de polvo.

A 1500 ºC y 1700 ºC, preformas carbonosas porosas con diversas fracciones de masa de polvo de grafito y tamaños de partícula se infiltraron con aleación Si-Zr casi eutéctica para producir estructuras Si-Zr-SiC densas. Las secciones transversales de HR-SEM mostraron que la profundidad de infiltración dependía no sólo de las fuerzas capilares que arrastraban la masa fundida infiltrada hacia los poros de la preforma, sino también de la reacción química entre el silicio fundido a 1500 ºC y el polvo de grafito, que reducía la permeabilidad de la red y disminuía la profundidad de infiltración para porosidades dadas. Por lo tanto, al aumentar la fracción de masa de grafito, también debería aumentar la longitud de infiltración para porosidades dadas.

Resistencia a altas temperaturas

El carburo de silicio destaca por su resistencia a la corrosión, la abrasión y la erosión, lo que lo convierte en el material ideal para aplicaciones de alta temperatura. Además, su bajo índice de expansión térmica y sus propiedades de dureza lo hacen idóneo para componentes de gran tamaño, como los sensores termopares.

Los RC infiltrados han demostrado su eficacia en varios experimentos científicos. Algunos ejemplos notables son el uso de discos de espejo de SiC en el telescopio espacial Herschel; debido a sus propiedades de alta resistencia, son adecuados para temperaturas que alcanzan los 1.400 grados C.

Se infiltraron preformas carbonosas porosas que contenían diversas cantidades de grafito en polvo con silicio líquido a 1500-1750 grados C para su infiltración. Las secciones transversales de SEM mostraron que el bloqueo de los poros se producía principalmente por la precipitación de siliciuros de circonio sólidos en el frente de infiltración; al aumentar la fracción de masa de grafito y/o disminuir la temperatura de infiltración, ambos mejoraban la infiltración de forma significativa, aunque seguían quedando algunas zonas centrales con grandes cantidades de porosidad sin infiltrar que no podían rellenarse solo con silicio líquido.

Alta resistencia

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto químico duro inorgánico con propiedades semiconductoras de banda ancha, que suele encontrarse en la naturaleza como la gema moissanita; sin embargo, las formas de polvo y cristal producidas en masa para su uso como abrasivo se producen ampliamente en el comercio como abrasivo. El SiC presenta una resistencia mecánica y una tenacidad a la fractura superiores, así como buenas propiedades tribológicas a altas temperaturas; además, ofrece buenas propiedades de resistencia química y a la oxidación que lo hacen adecuado para su uso a altas temperaturas.

La infiltración de silicio líquido en preformas porosas de SiC-C es una técnica innovadora utilizada para producir cerámicas densas con una resistencia a la compresión y a la flexión superior a la que se puede conseguir con el SiC aglomerado por reacción (RBSC) tradicional. Para lograr esta hazaña, hay que modificar varios parámetros, como la distribución de la porosidad, la estructura de los poros y el uso de la fuente de carbono. Para lograr este resultado se utiliza la ingeniería de gradación multimodal de partículas y el uso de aditivos de negro de nanocarbono (Fig.). Las imágenes SEM de sección transversal de las muestras infiltradas muestran su eficacia (Fig.). Con una fracción de masa de grafito de 5-30% se obtuvieron muestras con una distribución uniforme de la fase rica en Zr y una porosidad residual mínima. Las muestras con una fracción de masa de grafito de 30 presentan zonas centrales que permanecen infiltradas con aleación Si-Zr casi eutéctica.