Carburo de silicio sintético

El carburo de silicio (SiC) es un material artificial ampliamente producido como abrasivo y simulante de diamante de calidad gema. Además, este mineral se produce de forma natural como el raro mineral Moissanite.

Su resistencia, dureza, durabilidad y resistencia a la corrosión permiten su uso en aplicaciones de ingeniería de alto rendimiento, como cojinetes de bombas, válvulas e inyectores de chorro de arena.

Síntesis

El carburo de silicio (SiC) es un material indestructible con diversos usos industriales, que se caracteriza por un punto de fusión muy elevado, estabilidad térmica e impermeabilidad a los ataques químicos. El SiC fundido y remodelado puede utilizarse en la fabricación de productos como abrasivos, herramientas metalúrgicas, componentes cerámicos, sensores de radiación y fotocatalizadores; su combinación de propiedades lo convierte en uno de los materiales más duros conocidos por el hombre, sólo superado en dureza por el diamante y el nitruro de boro. La producción de SiC implica procedimientos complejos que requieren técnicas sofisticadas.

La preparación de las materias primas es el primer paso de la producción de SiC sintético, y se realiza mejor utilizando un horno eléctrico de resistencia equipado con electrodos de grafito, como el ideado por Edward Goodrich Acheson. Una vez combinados, el sílice y el carbono se calientan a altas temperaturas antes de que una corriente eléctrica los atraviese para fundirlos y solidificarlos en un lingote que luego debe refinarse, refinarse un poco más, refundirse de nuevo, tamizarse para obtener partículas finas, refinarse aún más antes de combinarse finalmente con otras materias primas para formar el polvo final que luego puede mezclarse como parte de la producción de SiC sintético.

Los procesos de unión por reacción ofrecen otro medio de producir SiC, en el que el material se fabrica mezclándolo con plastificante y dándole forma antes de cocerlo. Este método tiene la ventaja de producir material de SiC en tamaños muy pequeños para su uso en aplicaciones electrónicas avanzadas; además, también se pueden producir versiones monocristalinas puras y cortarlas como obleas para dispositivos de estado sólido.

El carburo de silicio poroso (PSC) se produce haciéndolo reaccionar con hidrógeno a altas temperaturas. Gracias a su gran superficie y a su inercia química, el PSC puede utilizarse como adsorbente o como soporte de catalizadores heterogéneos, con la ventaja añadida de que puede disolverse en diversos disolventes, lo que aumenta aún más su utilidad.

El carburo de silicio puede existir en varios tipos estructurales, incluidas las variantes alfa y beta, ambas con seis átomos de carbono unidos a cuatro átomos de silicio en una disposición tetraédrica. Las modificaciones beta suelen presentar estructuras cristalinas cúbicas de blenda de zinc o esfalerita para la formación de cristales, lo que convierte a esta variedad en la más frecuente de su clase.

Propiedades

El carburo de silicio posee propiedades únicas que lo hacen adecuado para una serie de aplicaciones, desde pruebas de dureza y resistencia, resistencia a la corrosión y conductividad térmica. Debido a estos atributos, el carburo de silicio se encuentra habitualmente en dispositivos electrónicos de alta potencia.

El carburo de silicio ligado por reacción puede fabricarse mediante diversos procesos. Uno de ellos consiste en mezclar polvo de carburo de silicio con carbono en polvo y plastificante, dar forma de objeto a la mezcla y quemar el plastificante sobrante. El SiC puro también puede depositarse mediante deposición química de vapor (CVD), utilizada por los fabricantes de semiconductores para fabricar obleas. Sin embargo, esta técnica requiere importantes inversiones en energía y equipos, y producir grandes cristales individuales de SiC cúbico puede resultar complicado.

El carburo de silicio sintético tiene múltiples aplicaciones, desde los abrasivos industriales hasta las piedras preciosas llamadas moissanita. La moissanita es un mineral exquisito con características similares a las del diamante, creado sintéticamente por primera vez por Edward Acheson en 1891 antes de que Henri Moissan lo descubriera de forma natural en el meteorito Canyon Diablo de Arizona en 1905 y le diera el nombre.

El carburo de silicio también puede utilizarse como capa protectora en herramientas abrasivas como las hojas de sierra. Las cerámicas que contienen carburo de silicio tienen muchas aplicaciones en industrias y tecnologías debido a su resistencia al calor; se pueden alcanzar temperaturas de hasta 1600 grados C sin que se produzca una expansión térmica o un aumento de temperatura significativos.

El carburo de silicona ofrece algo más que resistencia al calor; su conductividad eléctrica y baja densidad lo hacen ideal para aplicaciones de alto voltaje como los vehículos eléctricos. El carburo de silicona puede aumentar la potencia del motor y reducir su tamaño y peso para aumentar la distancia de conducción, prolongar la vida útil de la batería y disminuir el consumo de energía del sistema inversor.

Las propiedades del carburo de silicio también lo convierten en un material excelente para aplicaciones espaciales, como el blindaje de los paneles solares contra la exposición a la radiación y las condiciones ambientales nocivas, como las que se dan en misiones como bepiColombo. Además, su rigidez, bajo índice de expansión térmica y excelente conductividad eléctrica lo hacen adecuado para subsistemas de naves espaciales.

Aplicaciones

El carburo de silicio sintético se utiliza desde hace tiempo en numerosas industrias por su resistencia y dureza. Se utiliza para fabricar herramientas de corte y dispositivos electrónicos semiconductores que requieren altas temperaturas y tensiones. Además, el carburo de silicio sintético ha demostrado su utilidad en la fabricación de motores a reacción ligeros y pilas de combustible, lo que lo convierte en un material excelente en entornos de altas temperaturas, con múltiples ventajas sobre los materiales de la competencia.

La síntesis de carburo de silicio es uno de los principales procesos industriales del mundo, muy utilizado en las industrias metalúrgica, refractaria y química. Es un material excelente para fabricar cerámicas de alto rendimiento, refractarios de alta presión, componentes de hornos industriales, ladrillos refractarios o tubos termopares para uso a altas temperaturas. El carburo de silicio poroso puede modificarse depositando metales y óxidos para aumentar su rendimiento catalítico en diversos procesos, como la oxidación directa del butano en anhídrido maleico, la isomerización de hidrocarburos saturados lineales, la hidrogenación del butadieno, el reformado del dióxido de carbono o la oxidación del metano.

El carburo de silicio, una composición de carbono y silicio, presenta una dureza Mohs extremadamente alta de 9-10, lo que lo hace comparable a la dureza 10 del diamante. Este material presenta una excelente resistencia a la oxidación, la corrosión, los choques térmicos y las altas temperaturas, por lo que es perfecto para aplicaciones de semiconductores en condiciones adversas. La inercia química del carburo de silicio y su amplia banda prohibida lo hacen idóneo para aplicaciones de semiconductores en condiciones adversas.

Edward Goodrich Acheson desarrolló por primera vez los abrasivos de carburo de silicio para uso comercial en 1890 con el nombre de "Carborundum", y siguen siendo uno de los abrasivos más utilizados en la actualidad. Incluso se puede encontrar en ciertas piedras preciosas (sobre todo en la moissanita) o en hojas de sierra de alto rendimiento.

El carburo de silicio sintético puede fabricarse mediante diversos procesos, como la reducción carbotérmica de compuestos de sílice-carbono y la deposición química de vapor. Ambos procesos producen material de carburo de silicio de gran pureza apto para diversas aplicaciones; su uso más extendido es en la industria refractaria por su capacidad para resistir temperaturas, corrientes y tensiones extremas sin dejar de ser resistente a los productos químicos y no tóxico.

Coste

El carburo de silicio es un material duro ideal para aplicaciones de rectificado, corte y lapeado. Ofrece una resistencia superior a la corrosión y a los productos químicos, además de ser capaz de soportar altas temperaturas, y presume de excelentes propiedades eléctricas, como tener una resistencia a la tensión 10 veces mayor que el silicio ordinario y superar a los sistemas de nitruro de galio que superan los 1.000 V en vehículos eléctricos e inversores de energía solar. Estos atributos hacen que el carburo de silicio sea muy apreciado como material de inversión.

El microgranito y el polvo de CBN se utilizan a menudo en materiales abrasivos para el rectificado de metales no ferrosos y cerámicas duras, y suelen estar disponibles en forma de microgranito o polvo negro o verde. El CBN también es un componente integral de blindajes compuestos (como el blindaje Chobham) y chalecos antibalas; además, puede doparse con fósforo para crear un semiconductor de tipo n y doparse con berilio, boro o aluminio para formar un semiconductor de tipo p.

Los precios del carburo de silicio sintético se han disparado recientemente debido a la creciente demanda en aplicaciones como abrasivos y aplicaciones industriales, lo que ha provocado un aumento del consumo, de los costes de producción y de la factura energética. Mientras tanto, la reciente tecnología que crea carburo de silicio a partir de materiales de desecho ha reducido considerablemente los costes de producción.

El carburo de silicio sintético puede fabricarse mediante el proceso Lely, por el que el polvo de SiC puro se funde en hornos de resistencia eléctrica de sección rectangular antes de doparlo con fósforo (para la producción de semiconductores de tipo N), aluminio berilio o boro para la producción de semiconductores de tipo p, o sinterizarlo en materiales cerámicos mediante el proceso de sinterización. Una forma más cara es cultivar SiC cúbico mediante deposición química de vapor (CVD).

Almacénelo en un entorno hermético para evitar reacciones con el oxígeno que darían lugar a la formación de dióxido de silicio, lo que podría dañar el material. El transporte en sacos de 1000 kg o de 25 kg garantiza una manipulación adecuada, la protección contra la humedad durante el transporte y la llegada puntual a su destino final. Aunque los costes de manipulación de este material son superiores a los de metales similares utilizados para procesos industriales, los precios de almacenamiento tienden a ser más rentables para este material.