Aplicaciones del carburo de silicio

El carburo de silicio es una cerámica avanzada conocida por ser resistente, ligera, químicamente inerte y muy utilizada en aplicaciones de automoción y chalecos antibalas.

Edward Goodrich Acheson la sintetizó artificialmente con éxito por primera vez en 1891, utilizando coque en polvo y carbono como materias primas. La moissanita se presenta de forma natural como un mineral opaco conocido como Moissanitita que fue descubierto por el químico Henri Moissan, ganador del premio Nobel, en el Cañón Diablo de Arizona.

Automoción

El carburo de silicio podría ofrecer una solución a la presión de la industria automovilística para crear vehículos más eficientes energéticamente, fiables y ecológicos. El carburo de silicio ofrece potencial para superar estos retos mejorando la gestión de la energía en los vehículos eléctricos (VE). El carburo de silicio tiene una mayor intensidad de campo eléctrico crítico que los dispositivos tradicionales basados en silicio, lo que se traduce en una reducción de las pérdidas de potencia y de los costes de producción de los MOSFET/IGBT de potencia.

El carburo de silicio (fórmula química: SiC) es un material sintético producido industrialmente con la mayor dureza entre los materiales naturales y sintéticos: ocupa el puesto 9 en la escala de Mohs, justo detrás del diamante. Edward Acheson comenzó a producirlo en 1891, mientras intentaba fabricar diamantes artificiales. En una fusión de carbono y sílice calentada eléctricamente encontró pequeños cristales negros que molió para convertirlos en polvo y utilizarlos como abrasivos industriales y cerámicas. Los refractarios se benefician enormemente de las cualidades superiores del carburo de silicio: alta dureza, baja densidad, bajo índice de expansión térmica y resistencia al ataque químico de los entornos ácidos en comparación con sus homólogos, especialmente los productos químicos ácidos como la corrosión.

La cerámica es uno de los materiales más resistentes y abrasivos que existen, lo que la hace perfecta como material abrasivo y componente de chalecos antibalas. Además, su dureza, tenacidad y resistencia se han mejorado mediante la sinterización, que consiste en compactar el polvo a altas temperaturas para formar materiales cerámicos densos que se utilizan en la fabricación de frenos de coches, embragues y placas de chalecos antibalas.

El carburo de silicio encuentra su aplicación más extendida en la electrónica de semiconductores, donde su capacidad para soportar temperaturas, voltajes y frecuencias más elevadas que los dispositivos basados en silicio le ha valido el sobrenombre de "próximo silicio". Lo que diferencia al carburo de silicio de otros materiales semiconductores es un fenómeno mecánico cuántico conocido como banda ancha.

La amplia banda de separación del carburo de silicio le permite conducir la electricidad con más eficacia que el silicio, lo que le permite trabajar a temperaturas mucho más altas sin perder eficacia ni fiabilidad. De hecho, algunos chips basados en silicio no pueden funcionar a más de 300 ºC, lo que reduce los costes, la complejidad y el peso de los sistemas de refrigeración activa.

Aeroespacial

El carburo de silicio se utiliza ampliamente en aplicaciones aeroespaciales debido a su dureza, resistencia al calor, inercia química y tolerancia al choque térmico. Además, la naturaleza químicamente inerte del carburo de silicio le permite evitar problemas de corrosión, mientras que su dureza lo hace idóneo para su uso en diodos de barrera Schottky y MOSFET que producen altas tensiones de ruptura con una resistencia mínima al encendido en dispositivos electrónicos como dispositivos de potencia como diodos de barrera Schottky o MOSFET que producen tensiones de ruptura más altas con menor resistencia al encendido que los materiales competidores utilizados.

Como su densidad es la mitad de la del titanio o el acero, su composición ligera pero rígida lo convierte en un material atractivo para piezas aeronáuticas. Además, su resistencia a la radiación espacial lo hace adecuado para espejos y componentes estructurales de naves espaciales.

El carburo de silicio posee una fuerza, una resistencia al desgaste, una estabilidad térmica y una conductividad eléctrica impresionantes, lo que lo convierte en un componente clave de los dispositivos semiconductores que permiten altas frecuencias y rápidas velocidades de conmutación. Se prevé un rápido crecimiento del mercado del carburo de silicio debido a la creciente demanda de este material en diversos sectores de la economía.

El carburo de silicio se ha convertido en una de las aplicaciones automovilísticas más omnipresentes del carburo de silicio en los discos de freno compuestos de matriz cerámica (CMC) que se encuentran en muchos vehículos de alto rendimiento. El carburo de silicio aumenta su tenacidad y estabilidad térmica para ofrecer la máxima durabilidad y rendimiento a temperaturas más elevadas.

La producción de carburo de silicio utiliza numerosas tecnologías avanzadas. El carburo de silicio ligado por reacción (RB-SiC), por ejemplo, se forma mezclando silicio en polvo y carbono con plastificante, moldeándolo en las formas deseadas antes de quemar cualquier resto de plastificante y cocerlo. El SiC aglomerado por reacción presenta una excelente maquinabilidad y propiedades térmicas.

El micromecanizado de superficies (SMM) se utiliza desde hace tiempo como proceso para mecanizar rápidamente piezas metálicas con herramientas convencionales como sierras, taladros y amoladoras. Pero su producción puede llevar mucho tiempo y resultar costosa en el caso de piezas grandes, debido al proceso de sinterización, que lleva mucho tiempo y es costoso, así como a la dificultad de las operaciones de grabado y rectificado, lo que ralentiza considerablemente la producción. Por ello, para facilitar una producción más rápida que hasta ahora se ha creado un nuevo método conocido como micromecanizado de superficies con el fin de acelerar este ciclo de producción.

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Electrónica

El carburo de silicio (SiC) es un material cerámico extremadamente duradero con la mayor resistencia a la tracción y el punto de fusión entre todos los materiales cerámicos avanzados, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de ingeniería de alto rendimiento en condiciones extremas. El SiC puede encontrarse en aplicaciones como cojinetes de bombas, inyectores de chorro de arena, válvulas y elementos calefactores; en entornos de alta presión y alta temperatura, como las operaciones de perforación de petróleo y gas, ofrece incluso una resistencia a la corrosión superior a la de sus homólogos metálicos.

El SiC se está convirtiendo rápidamente en un importante material de base para la electrónica. El SiC es un material de banda ancha que presenta bandas electrónicas que oscilan entre 2,4 y 3,3 eV (frente a la banda de 1,1 eV del silicio). Cada polipo cristalino de SiC posee propiedades físicas diferentes; sin embargo, sólo tres (3C y 4H) son adecuados para dispositivos electrónicos debido a su estabilidad a altas temperaturas.

El SiC se está convirtiendo rápidamente en una de las aplicaciones electrónicas más interesantes para los vehículos eléctricos (VE). Los sistemas de gestión de baterías utilizan componentes muy sensibles que convierten y asignan los distintos voltajes necesarios para alimentar los elevalunas, los dispositivos de iluminación y los motores de propulsión.

Como los motores eléctricos generan mucho calor, funcionar a temperaturas elevadas puede suponer un reto adicional para los sistemas de gestión de baterías. Los semiconductores de SiC son una opción ideal para esta electrónica de potencia de alto voltaje, ya que pueden soportar temperaturas mucho más elevadas que sus homólogos de silicio, al tiempo que gestionan los picos de tensión con facilidad.

El SiC también es ideal para su uso en cargadores e inversores de baterías de vehículos eléctricos por su capacidad para soportar picos de potencia de alta frecuencia, lo que convierte a este material en el idóneo para gestionar los flujos de energía con eficacia y rapidez. Estos dispositivos desempeñan un papel crucial en la eficiencia global de las baterías, ya que influyen en la rapidez y eficacia con que se cargan, al tiempo que determinan su duración entre carga y carga.

A medida que aumente la demanda de vehículos eléctricos (VE), también lo hará la de tecnologías avanzadas de gestión de baterías. Los diseños de VE basados en carburo de silicio pueden suponer un gran paso adelante; Silicon Labs ya emplea SiC en este tipo de soluciones aisladas para sus propios diseños de alimentación de VE.

Energía

La tecnología del carburo de silicio (SiC) se utiliza mucho en aplicaciones energéticas por su eficiencia energética, su capacidad de alto voltaje y sus propiedades de conductividad térmica. El SiC se emplea ampliamente en componentes electrónicos como inversores de electrónica de potencia para vehículos eléctricos, sistemas de gestión de baterías (BMS), módulos fotovoltaicos solares y paneles fotovoltaicos; las múltiples ventajas del SiC ayudan a impulsar los esfuerzos de descarbonización y a reducir la dependencia del carbón y los combustibles fósiles.

Las propiedades de semiconductor de banda prohibida ancha del carburo de silicio le permiten soportar temperaturas y corrientes más elevadas que los dispositivos basados en silicio, y funcionar a frecuencias y tensiones más altas que otros materiales comparados con ellos. Como resultado, este material constituye una excelente elección para aplicaciones como inversores/estaciones de carga/sistemas de alimentación de vehículos eléctricos para energías renovables como paneles fotovoltaicos eólicos/solares, así como para el transporte ferroviario.

El carburo de silicio (SiC) es un material cristalino que se presenta en diversas formas o polipos, cada uno de los cuales posee características físicas y eléctricas únicas. Compuesto por átomos de silicio unidos covalentemente a átomos de carbono en una estructura de enlace tetraédrica, el carburo de silicio es una de las sustancias más duras conocidas por la ciencia, compitiendo con el diamante y el carburo de boro como una de las sustancias más duras conocidas.

Puede darse un número infinito de secuencias de apilamiento, dando lugar a politípos con estructuras cristalinas cúbicas, hexagonales y romboédricas. Generalmente se cultivan epitaxialmente mediante deposición química en fase vapor para controlar con precisión el espesor de la capa epitaxial y el dopaje de impurezas.

El carburo de silicio en estado puro se comporta como un aislante eléctrico; sin embargo, el dopaje controlado con impurezas puede cambiar su comportamiento eléctrico y convertirlo en un semiconductor. El dopaje del carburo de silicio con aluminio produce un semiconductor de tipo p, mientras que el dopaje con fósforo o nitrógeno produce un semiconductor de tipo N.

Las propiedades físicas especiales del carburo de silicio lo convierten en un material muy deseado para espejos de telescopios astronómicos. Al ser duro y rígido, con bajos índices de dilatación térmica, soporta temperaturas extremas sin expandirse ni contraerse significativamente. Además, su rigidez evita la difracción de la luz, lo que lo hace ideal para espejos de telescopios reflectores, utilizados por primera vez por el telescopio espacial Herschel, pero adoptados desde entonces por varios observatorios.