¿Cómo se fabrica el carburo de silicio?

El carburo de silicio (SiC) es un material duro y químicamente inerte muy utilizado como abrasivo y componente cerámico en productos de alta resistencia. Disponible en varios tamaños de grano y formatos de aglutinante con distintos niveles de pureza y densidades, el carburo de silicio se puede encontrar en todas partes, desde aplicaciones industriales hasta instalaciones de fabricación de bienes de consumo.

El SiC fue producido comercialmente en masa por primera vez por Edward Goodrich Acheson en 1891 mediante su proceso Acheson, tras descubrir lo que parecían cristales negros similares a la moissanita mientras calentaba una solución de arcilla y coque en polvo calentada eléctricamente.

El proceso químico

El carburo de silicio (SiC) es un material extremadamente duro con propiedades cerámicas y semiconductoras únicas, lo que lo convierte en una opción fantástica para aplicaciones de alta temperatura y resistentes al desgaste. Gracias a sus propiedades semiconductoras de banda ancha, el carburo de silicio puede funcionar a temperaturas mucho más elevadas que los semiconductores convencionales, al tiempo que presenta una resistencia a la abrasión, una resistencia cerámica y unas propiedades eléctricas excepcionales, cualidades que han contribuido de forma significativa a la revolución de la electrónica de potencia que se está produciendo en la actualidad.

El SiC puede aparecer de forma natural como el mineral moissanita en cantidades muy limitadas; sin embargo, su principal uso en la industria es la producción sintética. Uno de los métodos más utilizados es el proceso Acheson, descubierto accidentalmente por Edward Goodrich Acheson cuando intentaba crear diamantes en 1891. Mezclando coque de sílice en polvo en un horno eléctrico y haciendo pasar una corriente eléctrica a través de él, Acheson pudo crear cristales azules duros a los que llamó "carborundo".

En la actualidad, este proceso se emplea ampliamente para producir SiC, con varias plantas en todo el mundo que utilizan el diseño de Acheson para producirlo. El procedimiento comienza mezclando grandes cantidades de arena de sílice y coque de carbón en polvo antes de calentarlo en un horno eléctrico provisto de una barra de grafito como disipador térmico para evitar la formación de carburo de silicio a partir del gas monóxido de carbono.

Una vez enfriada, la mezcla se habrá solidificado en un lingote cilíndrico con capas de a-SiC, b-SiC y material sin reaccionar en su exterior. El B-SiC presenta estructuras cristalinas gruesas, mientras que el A-SiC tiene estructuras muy finas. A continuación, estos lingotes de SiC verde o negro pueden seguir procesándose en función de la aplicación prevista: a veces se trituran, se muelen y se tratan químicamente para conseguir la calidad necesaria para cada aplicación.

Para crear el producto final, el a-SiC se tritura en forma de polvo antes de mezclarlo con auxiliares de sinterización sin óxido, como el organosilicio, para formar una pasta. Una vez formada, esta pasta puede compactarse y moldearse mediante extrusión o prensado isostático en frío para producir material sinterizado que se somete a diversas inspecciones, pruebas y controles de calidad para garantizar que satisface las necesidades específicas de su aplicación.

El proceso físico

El carburo de silicio se crea calentando arena de sílice con carbono de carbón o coque de petróleo con bajo contenido en cenizas (comúnmente denominado coque de brea). Este material puede encontrarse de forma natural como moissanita en cantidades ínfimas; sin embargo, la mayor parte de la producción comercial implica métodos sintéticos y tiene su banda prohibida más ancha que el metal para mejorar las aplicaciones eléctricas.

Este proceso, conocido como método Lely, utiliza un crisol de granito calentado a altas temperaturas de 2.700 grados Celsius para sublimar el silicio y el carbono en cristales de carburo de silicio -los cristales de carburo de silicio puro son incoloros; los productos industriales a veces contienen impurezas de hierro-. Una vez calentados a estas temperaturas, los cristales se depositan sobre grafito a temperaturas más bajas, convirtiéndose finalmente en productos de grado industrial (a-SiC) o metalúrgico (b-SiC).

Los materiales fabricados con carburo de silicio tienen numerosas aplicaciones en diversos campos, desde los abrasivos y las herramientas de corte hasta la electrónica de semiconductores y la producción de piezas de desgaste. Su dureza (9 en la escala de Mohs) los hace especialmente codiciados por las industrias metalúrgica y de refractarios, debido a sus cualidades anticorrosivas, así como para soportar la corrosión y la resistencia a la abrasión, propiedades ideales que hacen que este resistente material sea ideal para la producción de piezas de desgaste. El carburo de silicio también posee excelentes cualidades de aislamiento eléctrico, lo que lo hace adecuado para su uso en electrónica gracias a su capacidad para soportar voltajes muy elevados: ¡perfecto para la fabricación de piezas de desgaste!

El carburo de silicio existe en dos polimorfos: a-SiC y b-SiC, cada uno con su propia estructura cristalina. El A-SiC es el más frecuente de los dos y presenta una estructura cristalina hexagonal similar a la wurtzita, mientras que el b-SiC suele presentar estructuras de blenda de zinc; ninguna de las dos formas de carburo de silicio es tan popular.

El a-SiC es generalmente la forma industrial preferida del carburo de silicio y debería ser su primera elección para aplicaciones de alta temperatura. Aunque es más costoso, su dureza y conductividad térmica superiores lo hacen especialmente adecuado para estos usos. Además, el dopaje puede endurecerlo aún más y mejorar la resistencia a la abrasión; entre las opciones de dopaje se incluyen las adiciones de nitrógeno, fósforo o berilio.

Su composición química hace que el a-SiC sea ideal para su uso como cerámica, un material inorgánico. La cerámica se confunde a menudo con el carburo de silicio debido a sus propiedades físicas similares; sin embargo, los ingenieros mecánicos suelen referirse a los cristalitos de a-SiC impuros unidos entre sí por varios biómeros a alta presión y temperatura como cerámica, mientras que los ingenieros eléctricos utilizan el término para referirse a las obleas puras de este material.

El proceso mecánico

El carburo de silicio es un material extremadamente duro, sólo superado por el diamante. Se encuentra de forma natural en la moissanita y se produce en masa desde 1893 como abrasivo. Los granos de este material también pueden unirse mediante sinterización para producir materiales cerámicos muy duros que se han utilizado en aplicaciones como frenos de automóviles y chalecos antibalas, así como en formas cerámicas transparentes conocidas como briquetas para su uso con diodos emisores de luz (LED).

El carburo de silicio para su uso en metalurgia y refractarios se fabrica normalmente utilizando un horno de resistencia eléctrica equipado con paredes conductoras de carbono. A continuación, se hace pasar una corriente a través de este conductor para iniciar una reacción química entre el carbono del coque y la sílice de la arena, lo que da como resultado un polvo cúbico puro de carburo de silicio de color amarillo claro.

La producción de carburo de silicio sigue este método general, aunque puede haber variaciones. Algunos fabricantes utilizan arcilla refractaria que se combina con polvo antes del calentamiento para evitar el crecimiento del cuello; otros procesos producen formas más densas infiltrando un cuerpo cocido con silicio gaseoso o líquido.

La extrema dureza del carburo de silicio y su resistencia al desgaste, a las altas temperaturas y al choque térmico lo convierten en un material inestimable. El carburo de silicio desempeña un papel importante en la producción de acero porque aumenta la eficacia de los hornos al producir hierro más puro. Además, el carburo de silicio es un excelente material refractario por su resistencia al calor y al choque térmico.

La resistencia, dureza y refractariedad del carburo de silicio lo convierten en un material indispensable para las muelas abrasivas utilizadas en el mecanizado de acero, óxidos de aluminio y cerámica. Además, su capacidad para soportar altas tensiones lo convierte en un candidato ideal para los motores y generadores de los vehículos eléctricos; también es ideal para los alternadores de alta velocidad de los coches eléctricos, ya que su uso ayuda a prolongar la distancia de conducción al tiempo que reduce el tamaño y el peso de los sistemas de almacenamiento de energía.

El proceso eléctrico

El carburo de silicio es uno de los materiales más duros conocidos por el hombre, pero otras de sus propiedades útiles son la resistencia química y térmica, así como su gran resistencia y durabilidad. Las propiedades semiconductoras hacen que el material sea especialmente atractivo, ya que permiten su uso en dispositivos electrónicos que amplifican, conmutan o convierten señales dentro de un circuito eléctrico. Además, el carburo de silicio funciona a temperaturas y frecuencias más altas que los semiconductores de silicio tradicionales, lo que lo convierte en una opción superior para aplicaciones de electrónica de potencia.

El carburo de silicio fue sintetizado artificialmente por primera vez por el químico Edward Goodrich Acheson en 1891 mientras intentaba fabricar diamantes haciendo pasar una corriente eléctrica a través de arcilla. En su lugar, Acheson descubrió cristales negros duros parecidos al dióxido de silicio que se comercializaron como abrasivos industriales con su nombre original, carborundo.

Los fabricantes utilizan un proceso controlado de alta temperatura para producir carburo de silicio monocristalino utilizando materiales de base con silicio y carbono de gran pureza, lo que suele hacerse mediante material de partida en polvo como materia prima para el crecimiento de los cristales en un entorno libre de contaminación por aire o polvo.

Los materiales de base se combinan en un horno y se someten a un calor y una presión intensos para producir un único cristal semilla de gran diámetro. Este cristal semilla es esencial, ya que sus características determinarán lo que finalmente se convierta en carburo de silicio; por lo tanto, su calidad debe ser intachable. Además, la concentración del material de partida debe ajustarse con precisión para producir carburo de silicio de acuerdo con la estequiometría deseada: tres átomos de carbono por cada dos átomos de silicio producidos en la producción de carburo de silicio.

Tras enfriarse, el lingote se tritura y clasifica cuidadosamente, a veces se vuelve a moler, antes de tratarlo químicamente para conseguir características específicas para usos concretos. El material resultante es una cerámica tenaz con una dureza excepcional de 9 en la escala de Mohs, muy resistente a la corrosión y químicamente inerte a la mayoría de los álcalis y ácidos, y muy estable a altas temperaturas.

Una vez cortados en obleas, estos lingotes se cortan en rodajas y se moldean mediante diversas técnicas para obtener productos adecuados para aplicaciones específicas. Una vez finalizada la conformación, el carburo de silicio sinterizado debe superar pruebas dimensionales e inspecciones para garantizar que cumple las normas de calidad antes de ser autorizado para su uso.