How Does Silicon Carbide Bond to Silicon Carbide?

El carburo de silicio es un material extremadamente duro y duradero, con una excepcional resistencia a la corrosión, al desgaste y a la conductividad térmica, además de servir como eficaz material semiconductor.

El carburo de silicio sinterizado ofrece muchas propiedades atractivas que lo hacen adecuado para aplicaciones de estanquidad, como la inercia química, la estabilidad a altas temperaturas y un bajo coeficiente de dilatación.

Propiedades físicas

El carburo de silicio (SiC), un polvo de color negro grisáceo a verde o un material gris sólido, es químicamente inerte y resiste la corrosión en entornos agresivos. Además, la densidad del SiC lo hace menos denso que los materiales cerámicos, pero más que algunos metales; debido a estas características físicas, hace que el SiC sea ideal para aplicaciones sometidas a grandes tensiones térmicas, mecánicas y eléctricas.

La estructura cristalina primaria del SiC es hexagonal, con unidades tetraédricas muy juntas unidas covalentemente por enlaces covalentes. Como sus átomos constituyentes tienen valores de electronegatividad similares, los electrones compartidos, en lugar de transferidos, forman enlaces covalentes entre los átomos de silicio y carbono, que a su vez forman enlaces covalentes dentro de cada tetraedro que forma su parte central, creando estructuras de tipo poliedro con diversas propiedades químicas y eléctricas.

El Si-C suele ser resistente a las altas temperaturas, aunque a temperaturas muy elevadas su estructura tetraédrica puede sufrir cambios de fase debido a la oxidación, formando películas de SiO2 que reducen la conductividad térmica y elevan el punto de fusión; entonces puede ser necesario eliminar estas capas de película para exponer su forma tetraédrica original y restaurar la ductilidad del material.

Las propiedades duraderas del SiC y su bajo índice de expansión lo convierten en una opción popular para componentes cerámicos de hornos industriales, intercambiadores de calor, motores de cohetes y dispositivos semiconductores. Las cerámicas refractarias y estructurales fabricadas con SiC también han encontrado una amplia aplicación; su dureza lo convierte en un importante abrasivo utilizado en muelas abrasivas y herramientas de corte; sirve como material esencial en revestimientos refractarios de hornos industriales, así como en piezas resistentes al desgaste de bombas y motores de cohetes; ¡incluso forma componentes clave en la misión europea bepiColombo a Mercurio!

El carburo de silicio ligado por reacción (RB SiC) es un material multifásico compuesto por silicio metálico 7-15% y carbono sin reaccionar, cuya densidad lo hace adecuado para aplicaciones de alta temperatura, donde su resistencia a la oxidación y a la deformación lo hace especialmente valioso. El SiC aglomerado por reacción está disponible comercialmente, lo que hace que este tipo de SiC se pueda moldear fácilmente en diversas formas y tamaños.

Propiedades químicas

El carburo de silicio es un compuesto excepcionalmente estable y uno de los materiales más duros que se conocen. Con una gran resistencia química y conductividad térmica, el carburo de silicio es una opción excelente para el procesamiento industrial de productos químicos agresivos, pero también es inerte hasta altas temperaturas, tiene una baja expansión térmica y funciona como semiconductor, propiedades que lo hacen adecuado para aplicaciones tan variadas como herramientas de corte, materiales estructurales (chalecos antibalas), piezas de automóviles (discos de freno) pararrayos, materiales para espejos en telescopios astronómicos, etc.

El SiC es un cristal hexagonal muy compacto compuesto por tetraedros centrados en átomos de silicio o carbono, conectados mediante enlaces covalentes o enlaces simples, respectivamente. El SiC está clasificado como semiconductor de banda ancha; como tal, los electrones necesitan más energía para entrar en su banda de conducción que la que necesitarían conductores metálicos como el cobre.

Esta sustancia es inerte, estable y no inflamable -características que ponen de relieve su estabilidad e inercia-, con un coeficiente de dilatación térmica extremadamente bajo. El sólido o polvo, de color gris a negro-grisáceo, no emite ningún olor y pesa bastante menos que la mayoría de las cerámicas o metales, sin dejar de ser más denso que ellos.

Los métodos modernos de fabricación de compuestos de sílice-carbono consisten en mezclar arena de sílice pura con carbono en forma de coque molido en un horno eléctrico y someterlo a un calor intenso y a corriente eléctrica durante varios días; las temperaturas pueden alcanzar los 2.500degC durante este proceso.

Con este método se pueden fabricar diversas composiciones químicas, como a-SiC y b-SiC, que tienen amplias aplicaciones en electrónica. Los politípos fabricados mediante este proceso también pueden adaptarse específicamente para uso electrónico dopándolos con impurezas, un paso esencial en procesos de fabricación como éste. El B-SiC ofrece una tensión de ruptura inferior a la del a-SiC, pero su movilidad electrónica es mayor.

Propiedades mecánicas

La composición química del carburo de silicio le permite formar un material robusto con altos índices de dureza Mohs (cercanos al diamante), propiedades térmicas e inercia química; lo que lo hace adecuado para muchas aplicaciones que requieren resistencia a altas temperaturas y resistencia contra la corrosión y los ataques químicos. Estas cualidades hacen que el carburo de silicio sea ideal también para aplicaciones que requieren resistencia a la corrosión.

El SiC es único porque su enlace entre los átomos de silicio y carbono es covalente en lugar de iónico, debido a que sus electronegatividades son similares, lo que hace que los átomos compartan electrones en lugar de transferirlos completamente, como ocurriría con los enlaces iónicos. Esta estructura explica su excepcional resistencia y su tolerancia a las altas temperaturas.

La producción de carburo de silicio aglomerado por reacción es una de las diversas formas de producir carburo de silicio. Este método produce un material multifásico que contiene partículas de carburo de silicio de grado refractario unidas a un material de matriz cerámica y que el fabricante denomina carburo de silicio aglomerado por reacción (RB SiC), que contiene entre 7-15% de silicio metálico, según el fabricante. El SiC aglomerado por reactividad se utiliza ampliamente en muchas aplicaciones en las que se requieren sus propiedades refractarias, desde revestimientos de hornos hasta productos resistentes al desgaste.

La unión por hidróxido, un nuevo proceso innovador utilizado para producir carburo de silicio, ofrece varias ventajas sobre los métodos más tradicionales de producción de este material, entre ellas que es capaz de unir el carburo de silicio a materiales como el zafiro y el aluminio.

La dureza inherente del carburo de silicio y su resistencia a altas temperaturas le permiten tener muchos usos industriales beneficiosos, siendo el rectificado, el bruñido y el corte por chorro de agua sólo algunos ejemplos de sus muchas aplicaciones. Gracias a su excepcional resistencia al desgaste, también se ha hecho popular en la lapidaria moderna por su durabilidad. Además, debido a sus propiedades eléctricas, como su alta conductividad térmica y su comportamiento semiconductor, forma parte de elementos calefactores eléctricos como termistores y varistores, además de utilizarse para fabricar ladrillos de control, muflas y muebles de horno para hornos de alta temperatura, además de turbinas de gas y generadores de vapor.

Propiedades térmicas

El carburo de silicio, más comúnmente conocido como carborundo, posee una excepcional combinación de propiedades físicas y químicas que lo convierten en un material extremadamente robusto que se utiliza en una amplia gama de aplicaciones en entornos de alta temperatura, alta tensión y abrasivos. Su insolubilidad en agua u otros disolventes habla por sí sola de su resistencia a la corrosión, mientras que su excelente resistencia mecánica, resistencia a altas temperaturas y resistencia al choque térmico se combinan con una excelente resistencia al desgaste por fatiga para un uso prolongado. El carburo de silicio también tiene una gran resistencia al desgaste por fatiga, por lo que es más resistente al desgaste por fatiga que sus homólogos cerámicos, como su primo el carborundo.

La inercia química de la cerámica de óxido de circonio puede observarse por su ausencia de olor y su incapacidad para disolverse en soluciones ácidas, así como por su resistencia a la exposición a radiaciones de alta temperatura sin degradarse ni agrietarse. Gracias a sus extraordinarias propiedades físicas y químicas, la zirconia sigue siendo una de las cerámicas industriales más indispensables en la actualidad.

La inercia química del carburo de silicio se debe en gran medida a su estructura molecular y a su retículo compacto, formado por tetraedros alrededor de átomos de carbono o silicio. Estos tetraedros pueden encontrarse dispuestos en dos polimorfos distintos: el carburo de silicio alfa (a-SiC), con su estructura cristalina hexagonal wurtzita; y el carburo de silicio beta (b-SiC), que posee una estructura cristalina de hierro blenda similar a la del diamante).

El alfa-SiC es la forma de carburo de silicio que se produce con más frecuencia y se ha convertido en el material preferido por su elevado punto de fusión y su resistencia a la oxidación, lo que lo hace útil en muchos campos, como los componentes de hornos eléctricos. Debido a sus puntos de fusión más bajos, otros polimorfos pueden ofrecer soluciones más atractivas en algunas aplicaciones.

El estrecho intervalo de banda del carburo de silicio, entre a-SiC y b-SiC, lo convierte en un material semiconductor eficaz a bajas temperaturas, debido a su mayor movilidad de electrones en estado sólido que otras cerámicas de ingeniería. A continuación se muestran datos que detallan las variaciones de esta propiedad, mientras que las barras gráficas de las tarjetas de propiedades de los materiales comparan el carburo de silicio con las cerámicas de ingeniería sin óxido.