Propiedades físicas del material de carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC), más conocido como carborundo, es un material cerámico extremadamente duro muy utilizado en frenos y embragues de automóviles, así como en chalecos antibalas.

La moissanita natural se identificó por primera vez en el cráter del meteorito Canyon Diablo, en Arizona, en 1893. Las versiones sintéticas se producen comercialmente como abrasivo.

Propiedades físicas

El carburo de silicio posee potentes propiedades físicas que lo convierten en un excelente material de construcción. Al ser uno de los materiales cerámicos más ligeros y resistentes, con un módulo de Young excepcionalmente alto de más de 400 GPa, el carburo de silicio tiene excelentes propiedades de conductividad térmica y un bajo índice de expansión térmica, lo que lo convierte en la mejor opción para aplicaciones que funcionan en condiciones extremas.

El material cerámico tiene la dureza Mohs más alta, 9, y una gran resistencia a la abrasión, por lo que es perfecto para aplicaciones con altas temperaturas, como el mecanizado. La cerámica también es el ingrediente principal de los materiales para chorro de arena, mientras que su forma en polvo fino puede servir como abrasivo industrial.

El carburo de silicio presume de una inercia química excepcional y puede soportar la exposición a la mayoría de ácidos y sales inorgánicos comunes, álcalis y ambientes sin sufrir degradación en su fuerza o en términos de resistencia a la corrosión. Los metales fundidos tampoco suelen afectarle y las temperaturas de hasta 1600 ºC no disminuyen significativamente su fuerza ni su resistencia a los impactos.

El carburo de silicio en su forma más pura se asemeja a un aislante; sin embargo, al doparlo con diversas cantidades de aluminio puede adquirir propiedades semiconductoras, lo que lo hace adecuado para dispositivos como diodos y transistores que funcionan en condiciones extremas de temperatura, tensión y frecuencia.

El carburo de silicio puede producirse mediante varios procesos, entre los que se incluyen la unión por reacción, el crecimiento cristalino y la deposición química en fase vapor (CVD). El carburo de silicio sinterizado por reacción, como el carburo de silicio sinterizado ULTRON de Blasch, utiliza normalmente polvo de dióxido de silicio muy fino que contiene aditivos de sinterización como materia prima. El procesamiento implica métodos típicos de conformado cerámico y la posterior sinterización bajo gas inerte a 2.200 grados Celsius. El material resultante posee unas características mecánicas y de abrasión excepcionales, con una resistencia y una rigidez excepcionales que le permiten resistir entornos de fabricación intensos como molinos, expansores, extrusoras y operaciones de corte/molienda. Además, este material altamente resistente a la corrosión puede soportar altos niveles de presión sin agrietarse bajo tensión; asimismo, tiene una excelente resistencia a la abrasión/erosión, lo que lo convierte en un material de construcción extremadamente flexible.

Propiedades químicas

El silicio y el carbono combinados en un solo material dan lugar a un conjunto excepcional de propiedades químicas, lo que lo convierte en un material ejemplar con notables características físicas. Altamente duradero, duro y fuerte, con una resistencia excepcional a la corrosión; además, puede soportar altas temperaturas y niveles de radiación, lo que lo hace perfecto para aplicaciones de la industria espacial.

El carburo de silicio es una cerámica dura no oxidada con muchas aplicaciones industriales. Puede soportar altas temperaturas y ofrecer una resistencia superior a la abrasión en aplicaciones como frenos de coches o chalecos antibalas, además de fundirse en finas láminas que sirven como protectores de campos electromagnéticos para equipos eléctricos.

El carburo de silicio se presenta en numerosas variedades, cada una de ellas con propiedades únicas. Mientras que algunas variedades pueden producirse mediante la reacción de polvo con silicio líquido, otras requieren sinterización utilizando aglutinantes no oxidados, y sus propiedades físicas y químicas dependen en gran medida de estos procesos y de la microestructura de sus productos finales.

Una de las principales aplicaciones del carburo de silicio es la electrónica de semiconductores, donde su mayor resistencia a la temperatura y a la tensión lo hace inestimable en dispositivos que funcionan a temperaturas o tensiones extremas. El carburo de silicio se utiliza sobre todo en dispositivos semiconductores de potencia que requieren una alta resistencia, como los diodos Schottky y los transistores.

La abrasividad del carburo de silicio lo convierte en un material muy útil, sobre todo para esmerilar y cortar metales. Además, el carburo de silicio se utiliza habitualmente en la fabricación de papel de lija y otros productos abrasivos, así como en la producción de placas cerámicas utilizadas en chalecos antibalas, e incluso suele emplearse como material refractario en hornos, crisoles y otras aplicaciones de alta temperatura.

El carburo de silicio poroso (SiC) ha atraído una gran atención como material ideal de soporte de catalizadores para la catálisis heterogénea debido a su menor precio y mejor estabilidad térmica, ofreciendo una alternativa a materiales más utilizados como la alúmina o el carburo de boro. Además, el SiC puede servir como material inicial en la creación de zeolitas jerárquicas o mesoporosas, beneficiosas tanto para aplicaciones de adsorción como de catálisis.

Propiedades mecánicas

El carburo de silicio se considera uno de los materiales más duros, con una excelente estabilidad dimensional y bajos índices de expansión térmica. Además, presenta altos valores de módulo de Young, así como resistencia a ácidos y lejías, propiedades que lo hacen adecuado para aplicaciones como equipos de procesamiento de semiconductores. El carburo de silicio también presenta una excepcional resistencia a la erosión/desgaste, así como una gran resistencia a los procesos de grabado por plasma.

Devnit es un material ideal para componentes que requieren bajas temperaturas de funcionamiento, es toxicológicamente seguro y puede utilizarse en entornos en los que, de otro modo, la cerámica estándar no funcionaría. Además, su resistencia a grandes esfuerzos mecánicos lo hace idóneo para aplicaciones de tecnología de sellado, como boquillas de chorreado, cojinetes deslizantes y componentes de reactores de flujo.

El carburo de silicio, el segundo material más duro después del diamante, puede ser difícil de mecanizar y debe producirse con maquinaria especial y procesos de fabricación avanzados. No obstante, su fabricación es más sencilla que la del carburo de boro, con impresionantes propiedades de resistencia a altas temperaturas y a la oxidación.

Como tal, constituye una fantástica elección de material cuando las piezas de alto rendimiento deben ser resistentes, duraderas y ligeras. La cerámica es especialmente útil para aplicaciones de semiconductores de potencia de alto voltaje por su mayor resistencia a la erosión y el desgaste en comparación con la cerámica estándar; además, su conductividad térmica le permite reducir las cargas de refrigeración y mejorar la eficiencia.

Las propiedades mecánicas del carburo de silicio dependen en gran medida de su método de sinterización y de sus características microestructurales, incluidos los métodos de unión por reacción o sinterizados y los auxiliares de sinterización sin óxido. El carburo de silicio se produce mediante la infiltración de compactos formados por cristalitos de SiC con silicio líquido, mientras que la producción de carburo de silicio sinterizado implica métodos convencionales de conformado de cerámica con auxiliares de sinterización sin óxido.

Sea cual sea el proceso de producción, seleccionar un proveedor de calidad con experiencia en la preparación y el suministro de carburo de silicio es vital para su éxito. Elkem Processing Services (EPS), en sus modernas instalaciones de Lieja (Bélgica), proporciona pedidos personalizados de carburo de silicio según las especificaciones del cliente, al tiempo que ofrece asistencia y asesoramiento técnico experto. Póngase en contacto con nosotros hoy mismo y conozca sus capacidades para que podamos satisfacer todos sus requisitos específicos.

Propiedades eléctricas

El dopaje permite alterar las propiedades eléctricas del carburo de silicio añadiendo impurezas a su estructura cristalina. El dopaje puede alterar el comportamiento del carburo de silicio como aislante o semiconductor en función de los dopantes que se introduzcan; según los dopantes elegidos, el SiC puede tener una conductancia eléctrica hasta 100 veces superior a la del cobre y 20 veces superior a la del aluminio.

El carburo de silicio puro es un aislante; sin embargo, dopándolo con dopantes de nitrógeno o fósforo, como el dióxido de nitrógeno o el nitrato de fósforo, o dopándolo con agentes dopantes de berilio, boro y galio, puede convertirse en semiconductores de tipo n o de tipo p que pueden integrarse en dispositivos como los diodos emisores de luz (LED) y los detectores de las primeras radios; su resistencia a la corrosión a altas temperaturas también lo convierte en el material ideal para las placas cerámicas de chalecos antibalas fabricadas con este material.

El carburo de silicio es químicamente inerte y resistente al ataque de la mayoría de los ácidos, incluidos el clorhídrico y el sulfúrico. Su resistencia no disminuye a altas temperaturas, lo que ha llevado a utilizarlo como soporte de bandejas de obleas y paletas en hornos de semiconductores. Además, el carburo de silicio se utiliza a menudo como material de elección en la creación de resistencias de temperatura variable, como los varistores.

El carburo de silicio, como material semiconductor, puede soportar tensiones extremadamente altas de hasta 1.000 V, lo que lo convierte en un material inestimable para componentes de vehículos eléctricos, inversores de energía solar, sistemas de sensores y sistemas de ampliación de la distancia de conducción, así como para reducir el tamaño y el peso de las unidades de gestión de baterías. Su increíble resistencia también hace que el carburo de silicio sea ideal para su uso como aislante en unidades de gestión de baterías para aumentar la distancia de conducción de los vehículos eléctricos, al tiempo que aumenta su eficiencia y reduce su tamaño y peso.

La dureza y rigidez del carburo de silicio lo hacen adecuado para aplicaciones en las que la resistencia al impacto o a la compresión es crítica, como engranajes que deben soportar impactos o compresión, baldosas cerámicas en motores a reacción, placas de chalecos antibalas y placas cerámicas utilizadas como insertos de chalecos antibalas. Además, su capacidad para resistir la oxidación a altas temperaturas lo hace perfecto para su uso en entornos duros, como frenos y embragues de automóviles; por otra parte, su dilatación térmica es muy baja, lo que lo hace adecuado para su uso en cerámica; además, su elevada resistencia a la tracción hace que las cerámicas de carburo de sílice sean ideales para su uso como refuerzo de metales o materiales cerámicos, en comparación con las opciones cerámicas tradicionales, como los aceros; para esta aplicación las hace adecuadas como refuerzo de metales y materiales cerámicos como materiales de refuerzo para el refuerzo de metales o materiales cerámicos utilizados como materiales de refuerzo.