Propiedades únicas del carburo de silicio

El carburo de silicio es conocido desde hace tiempo por sus propiedades únicas. Su elevada tenacidad a la fractura y resistencia a la flexión son el resultado de fuertes enlaces covalentes entre los átomos de silicio de su estructura cristalina y los átomos de carbono de su estructura cristalina, lo que crea unos valores impresionantes de tenacidad a la fractura y resistencia a la flexión.

Este material puede soportar temperaturas de hasta 1600 ºC, mientras que su capa protectora de óxido lo protege de la oxidación del aire y otras reacciones químicas. Además, su estructura resistente gestiona con éxito la corrosión, la abrasión y la erosión, así como las tensiones mecánicas.

Conductividad térmica

El carburo de silicio es un material extremadamente duro que conduce eficazmente la energía térmica. Es una de las cerámicas industriales más utilizadas, ya que sus propiedades permiten una fabricación avanzada en una amplia gama de aplicaciones, como abrasivos, refractarios y cerámica estructural. El carburo de silicio destaca por su resistencia a la corrosión, la abrasión, la erosión y el desgaste por fricción, al tiempo que presenta un módulo de Young excepcional que le permite mantenerse intacto incluso en condiciones de gran tensión. Además, presenta una baja expansión térmica y es extremadamente resistente a ácidos y lejías.

El carburo de silicio se forma fundiendo sílice y carbono juntos en un horno eléctrico -lo que se conoce como carbo-síntesis- produciendo un polvo que luego puede unirse mediante tecnología de sinterización, creando abrasivos o cerámicas de alto rendimiento e incluso estructuras como los álabes de las turbinas de los motores a reacción.

La moissanita se identificó por primera vez como mineral en 1893 en el cráter del meteorito Canyon Diablo, en Arizona, aunque hasta hace poco todo el SiC que se vendía en el mundo se producía sintéticamente. Aunque las formas naturales varían en color del marrón al negro, los productos industriales muestran un brillo como el del arco iris que recuerda al diamante. El SiC se conoce a veces como corindón o carborundo; sin embargo, este término se refiere a variedades específicas de moissanita tratadas para crear gemas similares a los diamantes.

Aunque la composición química del carburo de silicio es la misma en todos sus politípos, sus estructuras cristalinas difieren y alteran sus propiedades eléctricas y térmicas. Una de las razones de estas variaciones puede ser la dispersión de impurezas eléctricas, donde las anomalías locales en la red cristalina reducen el movimiento de electrones libres dentro del material, lo que afecta negativamente a la conductividad.

El carburo de silicio se desmarca de estos efectos gracias a su extraordinaria conductividad térmica y al corto recorrido libre medio de sus electrones libres, lo que crea una elevada conductividad térmica para este material. Además, su elevado módulo de Young y su magnífica conductividad térmica lo hacen adecuado para aplicaciones a altas temperaturas, como las toberas de quemadores de gas.

Resistencia a la corrosión

El carburo de silicio es un material cerámico industrial extremadamente fuerte y resistente, conocido por soportar la corrosión en una amplia gama de entornos. Presenta elevadas resistencias a la compresión, tracción y flexión, así como una excelente conductividad térmica y bajos índices de expansión térmica. La resistencia a la corrosión del carburo de silicio lo hace adecuado para su uso en refractarios, componentes termoestructurales y sistemas de generación de energía, mientras que su baja sección transversal de neutrones y su resistencia a los daños por radiación lo hacen útil en aplicaciones de reactores nucleares.

La resistencia a la corrosión del carburo de silicio se debe a su fuerte estructura de enlaces covalentes tetraédricos. Los átomos de silicio de los cristales de carburo de silicio comparten pares de electrones en orbitales híbridos sp3, lo que proporciona enlaces mucho más fuertes que los del óxido de silicio (un importante compuesto que contiene oxígeno). Además, los fuertes enlaces del carburo de silicio también dificultan el paso de iones a través de su red cristalina, lo que ayuda a evitar reacciones químicas en su superficie que podrían debilitarlo con el tiempo.

La resistencia del carburo de silicio se ve incrementada por su resistencia; en particular, esta resistencia se ve amplificada por una capa protectora de óxido en su superficie que actúa como un amortiguador, impidiendo cualquier reacción directa entre el sustrato de SiC y las especies atacantes y esta capa; además, esta capa puede incluso reaccionar de forma sacrificada con estas especies atacantes para reponer el suministro de oxígeno - explicando así la cinética de reacción parabólica encontrada tanto con el carburo de silicio como con el nitruro de silicio debido a esta barrera protectora de óxido.

La corrosión es un fenómeno polifacético al que contribuyen muchos factores que pueden tener graves repercusiones en los materiales a lo largo de su vida útil. La corrosión reduce la resistencia de los materiales al crear defectos que aumentan su vulnerabilidad ante las tensiones mecánicas o térmicas, y puede alterar su composición química al liberar contaminantes al medio ambiente.

Las cerámicas refractarias como el carburo de silicio deben tener una excelente resistencia a la erosión y la corrosión para su uso en hornos e intercambiadores de calor que funcionen a temperaturas muy elevadas, como hornos o intercambiadores de calor que utilicen oxígeno seco, vapores gaseosos calientes, mezclas de metales de sales fundidas y escorias de carbón -sin olvidar las tensiones inducidas térmicamente- a fin de soportar las duras condiciones sin agrietarse bajo ciclos de temperatura. Además, los bajos coeficientes de dilatación también deben ayudar a evitar la fractura en condiciones de ciclos de temperatura.

Resistencia al desgaste

El carburo de silicio es un material excepcionalmente duro con una notable resistencia al desgaste, reforzada por su excelente tenacidad a la fractura -que refleja la resistencia a la propagación de grietas bajo tensión- y unos valores de módulo de Young/resistencia a la flexión que demuestran sus excelentes propiedades mecánicas.

Seleccionada por su alta densidad y dureza, la cordierita es un material ideal para aplicaciones que requieren resistencia a la abrasión, como el rectificado. Como uno de los materiales más duros de la Tierra, la cordierita puede soportar importantes daños por impacto y desgaste sin mostrar signos de debilidad; además, su excepcional resistencia a la compresión contribuye significativamente a su resistencia al desgaste, mientras que su notable resistencia a la flexión le permite soportar la flexión, una característica esencial para muchas aplicaciones resistentes al desgaste.

La durabilidad química del carburo de silicio lo convierte en una opción inestimable para muchas aplicaciones, ya que lo protege de la abrasión, la corrosión y otras reacciones perjudiciales. A 1200 ºC forma una capa protectora de óxido de silicio para protegerse de la oxidación u otras reacciones potencialmente peligrosas y es resistente a los ácidos orgánicos e inorgánicos, álcalis y sales. Además, su estabilidad química proporciona un apoyo esencial para operar en condiciones extremas.

La resistencia al desgaste es una cualidad esencial para cualquier material sometido a fuerzas abrasivas. El carburo de silicio resiste estas fuerzas mucho mejor que el aluminio o el acero, por lo que es el material preferido en la industria y la minería. Además de tener una resistencia superior a la abrasión, el carburo de silicio también cuenta con impresionantes propiedades de resistencia al impacto.

Además, tiene una tenacidad a la fractura y un módulo elástico excepcionales, por lo que es capaz de soportar impactos sin agrietarse bajo presión. Sin embargo, su coeficiente de expansión térmica es inferior al de la cerámica de circonio estructural, por lo que es susceptible a los choques térmicos.

El carburo de silicio ligado con nitruro ofrece una resistencia al desgaste significativamente superior a la de los tipos de acero empleados habitualmente para el trabajo en suelos, incluidos el acero XAR 600 y el acero post-martensítico B27; tres veces mejor que la soldadura de relleno F-61 y cinco veces mayor en suelos ligeros con partículas sueltas de arena. Además, este material presenta la mejor resistencia a la abrasión de todos los materiales cuando se trabaja en condiciones de suelo ligero.

Conductividad eléctrica

El carburo de silicio destaca como material indispensable en las tecnologías y aplicaciones industriales modernas por su capacidad para soportar condiciones extremas, lo que lo convierte en un componente crítico en numerosas tecnologías y procesos industriales. Su combinación de dureza, estabilidad térmica, resistencia química y conductividad eléctrica lo convierten en un material versátil esencial en las aplicaciones actuales de alto rendimiento.

El SiC es un material extremadamente duro y duradero debido a la unión entre sus átomos de silicio y carbono que forman fuertes enlaces tetraédricos en su red cristalina, lo que lo hace muy duro, resistente y elástico. Es capaz de soportar temperaturas extremadamente altas, con una resistencia a la tracción superior a 4.000 MPa y un módulo de Young superior a 400 GPa, respectivamente, además de tener una tensión de ruptura extremadamente alta, lo que significa que puede soportar fuertes campos eléctricos sin romperse prematuramente.

La naturaleza robusta del carburo de silicio le confiere una serie de usos tanto en términos de control de la erosión como de resistencia a la abrasión, y los blindajes de grado militar lo utilizan ampliamente. Debido a su dureza, los bloques cerámicos de carburo de silicio formados a partir de esta sustancia pueden resistir impactos de bala; de ahí su popularidad como material de construcción; molinos, cuerpos de quemadores, trituradoras, expansores y boquillas pueden fabricarse a menudo con esta sustancia cerámica.

El carburo de silicio puro suele ser un aislante eléctrico; sin embargo, si se le añaden dopantes como el aluminio, el boro y el galio, puede convertirse en conductor eléctrico. Cuando se añaden dopantes de nitrógeno o fósforo, el material se convierte en un semiconductor de tipo N.

Debido a las mayores concentraciones de oxígeno y nitrógeno del a-SiC, su conductividad inherente es sustancialmente inferior a la del n-SiC. Para remediar esta deficiencia, un tratamiento oxidante en su superficie produce una capa pasivante de SiO2, aumentando significativamente la conductividad eléctrica.

La conductividad eléctrica del carburo de silicio poroso depende de su porosidad y del tamaño de los poros, siendo menor la conductividad de los poros más grandes. A partir de estos datos, se ha desarrollado un modelo matemático para calcular la resistividad eléctrica de distintos niveles de porosidad de los compuestos de a-SiC; sus predicciones coinciden exactamente con los resultados experimentales, por lo que resulta adecuado para diseñar futuros productos con resistividad eléctrica controlada.