¿Cómo se fabrica el carburo de silicio?

El carburo de silicio es un material extremadamente duro y duradero que suele encontrarse en muelas abrasivas y abrasivos. Con una excepcional clasificación de dureza Mohs de 9 en la escala Mohs, ¡sólo el diamante y el nitruro de boro cúbico lo superan! Las excelentes propiedades de dureza del carburo de silicio le permiten superar a otras opciones cuando se utiliza para muelas abrasivas y abrasivos.

Edward Goodrich Acheson es el pionero de la producción en serie. Mientras intentaba crear diamantes sintéticos, calentó accidentalmente arena de sílice mezclada con coque (carbono) en polvo, produciendo cristales azules que denominó carborundo.

Fabricación

El carburo de silicio (SiC) es un material cristalino mineral industrial. Es un híbrido duro de cerámica y metal con propiedades semiconductoras y excelentes características abrasivas, que ostenta los mayores índices de resistencia/dureza de todas las sustancias conocidas; sólo lo superan el diamante, el nitruro de boro cúbico y el carburo de tungsteno. Además, la inercia química del SiC lo protege contra álcalis/ácidos/alcalinos, lo que lo hace apto para entornos alcalinos, ¡al tiempo que soporta temperaturas/tensiones/aceleraciones extremas con facilidad!

En su estado más puro, el carburo de silicio es de color blanco grisáceo, aunque su tonalidad puede variar en función de la presencia de impurezas como el nitrógeno y el aluminio. Aunque se encuentra de forma natural en los minerales de moissanita, la mayor parte de la producción actual de carburo de silicio se realiza sintéticamente.

Edward Goodrich Acheson ideó por primera vez su proceso Acheson cuando intentaba producir diamantes artificiales en 1891. Hoy sigue siendo el método preferido para producir SiC. Consiste en mezclar arena y coque antes de calentarlos a altas temperaturas hasta que sus moléculas reaccionan, creando dióxido de silicio y carbono. Una vez transformado en carburo de silicio, el producto puede triturarse, molerse o cribar en diferentes tamaños en función de su aplicación.

Una de las principales aplicaciones del material de alúmina en bruto son las muelas abrasivas utilizadas para el corte y rectificado de metales y piedra, así como para fabricar medios de chorreado abrasivo, abrasivos revestidos, cerámicas y otros materiales. La resistencia de la alúmina a la corrosión, la abrasión y el calor la convierten en un ingrediente inestimable.

El carburo de silicio químico también puede utilizarse para producir grafeno, que tiene muchas propiedades útiles, como la capacidad de conducir la corriente eléctrica con más eficacia que el cobre y, por tanto, es un sustituto económico y muy eficaz de materiales conductores tradicionales como la plata y el oro. Además, las propiedades ignífugas y antideflagrantes del carburo de silicio sinterizado lo convierten en una opción excelente a la hora de crear componentes que requieren mayores niveles de seguridad gracias a su capacidad de extinción de incendios y sus propiedades antideflagrantes. El carburo de silicio sinterizado también se utiliza con frecuencia en componentes de sellado de vehículos debido a su resistencia contra la corrosión y el desgaste - especialmente los fabricados utilizando un carburo de silicio de grado abrasivo son más capaces de soportar la erosión en circunstancias extremas que los carburos de silicio de grado estándar cuando se aplican contra condiciones de erosión/desgaste.

Propiedades

El carburo de silicio posee unas propiedades térmicas y mecánicas excepcionales que lo hacen adecuado para numerosas aplicaciones industriales. Como una de las principales cerámicas industriales, el carburo de silicio destaca por su excepcional resistencia al desgaste, lo que lo convierte en una elección popular en herramientas de rectificado/corte de alta resistencia. Se ha convertido en uno de los principales materiales de la ingeniería moderna debido a sus aplicaciones generalizadas en todas las industrias.

El carburo de silicio (SiC) es un polvo insoluble de color negro grisáceo a verde o un material sólido gris de carburo de silicio que tiene una resistencia superior al agua, el alcohol y los ácidos, lo que lo hace adecuado para entornos duros que podrían desgastar rápidamente materiales menos duraderos. Por su inercia y estabilidad química, el SiC es un material fantástico para herramientas de corte, aislantes, bujías y piezas de hornos de alta temperatura.

Edward Acheson creó por primera vez el carborundo en 1891 utilizando un horno eléctrico calentado con arcilla (silicato de silicio) y coque de carbón como ingredientes para formar cristales azules de este compuesto, hoy uno de los materiales cerámicos industriales clave.

La composición química del carburo de silicio se basa en dos tetraedros de coordinación primaria que contienen cuatro átomos de carbono unidos entre sí y a átomos centrales de silicio, creando poliotipos. Cada polipo forma su propia estructura cristalina, por lo que el carburo de silicio se presenta en numerosas formas.

El carburo de silicio en estado puro sirve como aislante eléctrico; sin embargo, con la adición de ciertas impurezas y tratamientos de dopaje puede demostrar propiedades semiconductoras; por ejemplo, la adición de pequeñas cantidades de aluminio puede producir carburo de silicio de tipo p.

Los fabricantes suelen crear carburo de silicio cúbico mediante el método Lely o la deposición química en fase vapor. Ambos métodos requieren mucha energía, equipamiento y experiencia para tener éxito, pero ambos producen carburo de silicio cúbico de alta calidad apto para diversas aplicaciones. Presume de una conductividad térmica superior a la de su primo de silicio, así como de una resistencia, rigidez, dureza y capacidad de tolerancia a la temperatura y la tensión superiores a las de su primo de silicio.

Aplicaciones

El carburo de silicio tiene muchos usos industriales gracias a sus impresionantes propiedades de dureza, inercia química y conductividad térmica. Además, el carburo de silicio sirve como semiconductor con propiedades eléctricas únicas.

La moissanita es un mineral extremadamente raro que se encuentra en la naturaleza, pero se fabrica sobre todo como material abrasivo en forma de polvo o cristal. El material se puede prensar para fabricar chalecos antibalas de cerámica resistente al desgaste, o se puede fundir para formar grandes cristales individuales que luego se cortan en piedras preciosas conocidas como piedras preciosas de moissanita sintética.

Edward Goodrich Acheson fue el responsable de la primera producción a gran escala de material de carburo de silicio en 1891. Utilizando un horno eléctrico, calentó una mezcla de arena de sílice y coque durante varias horas hasta alcanzar temperaturas superiores a 2500 grados Fahrenheit; produciendo una masa de color negro azulado que más tarde se trituró hasta convertirse en carburo de silicio.

En la actualidad, los abrasivos de carburo de silicio suelen denominarse carburo de silicio negro (BSC). Al contener aproximadamente 98,5% de carburo de silicio, es más duradero y se utiliza para el rectificado de materiales de baja resistencia a la tracción como hierro enfriado, vidrio, mármol y granito, así como metales no férreos como materiales refractarios y metales no férreos como metales no férreos y metales no férreos como metales no férreos, así como otros más frágiles como el hierro fundido y el acero.

Gracias a su resistencia a la dilatación térmica y a su gran solidez a temperaturas de hasta 1.800 grados Fahrenheit, el acero se utiliza ampliamente en aplicaciones de granallado, herramientas de corte, sierras de hilo y brocas, así como en la fabricación de productos refractarios como paredes de calderas, ladrillos caravista y muflas, sin olvidar los muebles para hornos de cocción de cerámica.

Los productos granulares en polvo, como el carburo de silicio, pueden mecanizarse con herramientas de diamante y ultrasonidos, o sinterizarse en bloques sólidos mediante procesos de tratamiento térmico como el sonar de alta frecuencia. Además, la reacción con silicio gaseoso en un horno de arco eléctrico da lugar a material de carburo de silicio aglomerado por reacción que, a continuación, puede refinarse mediante deposición química en fase vapor, creando películas finas utilizadas en dispositivos electrónicos como transistores y células solares.

Mercado

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto duro y sintético de silicio y carbono que se produce de forma natural como el raro mineral moissanita; sin embargo, desde 1893 se produce en masa como polvo o cristal. El carburo de silicio se utiliza como abrasivo, placas cerámicas para la producción de chalecos antibalas, frenos y embragues de automóviles, así como cerámica extremadamente dura con muchos usos industriales; los granos de SiC pueden incluso unirse mediante técnicas de sinterización para formar cerámica extremadamente dura con usos adicionales en diversos campos industriales: los módulos de potencia MOSFET utilizados como material semiconductor ayudan a reducir las pérdidas de energía al tiempo que aumentan significativamente la eficiencia.

Se espera que la demanda de carburo de silicio aumente en el sector de los vehículos eléctricos debido a la adopción mundial de la tecnología de emisiones cero. La electrónica de potencia basada en SiC ayuda a los vehículos eléctricos a cargarse más rápido y a aumentar su autonomía, lo que los hace más atractivos que los coches de combustible. Las leyes gubernamentales que restringen las emisiones de gases de efecto invernadero están impulsando aún más su adopción.

El carburo de silicio es fabricado y vendido por varias empresas en forma de granos, polvos y obleas. Su popularidad se debe a sus excepcionales propiedades de conductividad térmica, solidez, resistencia a la corrosión y al desgaste, así como a un rendimiento superior que le permite superar a los materiales estándar en determinadas aplicaciones.

La competencia en el mercado del carburo de silicio es intensa, y los principales actores, como SK Siltron, invierten mucho en innovación y expansión de productos para impulsar el crecimiento de los ingresos y ganar más cuota de mercado. También emplean métodos de I+D en un intento de introducir nuevos servicios que puedan darles ventaja frente a sus competidores y hacerles ganar más negocio. Recientemente, han aumentado la capacidad de fabricación de su planta de Bay City, situada en EE.UU., que puede producir 100.000 obleas al año, por ejemplo

El crecimiento del mercado del carburo de silicio puede verse limitado por sus materias primas caras y difíciles de obtener. Además, su fabricación requiere altas temperaturas, lo que aumenta considerablemente los costes y restringe su disponibilidad en mercados sensibles a los precios.