Propiedades del carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) es un material industrial innovador, con propiedades tanto cerámicas como semiconductoras. Al ser una de las sustancias más duras que se conocen -compitiendo con materiales como el diamante y el carburo de boro-, el carburo de silicio es apreciado desde hace tiempo como material de inversión.

Los granos y polvos de SiC tienen numerosas aplicaciones en una gran variedad de industrias, desde el granallado, los abrasivos revestidos, las herramientas de corte, el material estructural de chalecos antibalas y las estructuras de los discos de freno de los automóviles, hasta el material de los espejos de algunos telescopios astronómicos.

Conductividad eléctrica

El carburo de silicio es un material con unas propiedades eléctricas extraordinarias. Como semiconductor y metal, su versatilidad se extiende a aplicaciones que van desde los componentes electrónicos y los calentadores hasta las herramientas de mecanizado. La conductividad eléctrica superior del carburo de silicio se debe en gran medida a su estructura covalente: en su forma cristalina, pares de átomos de silicio y carbono comparten electrones a través de orbitales híbridos sp3 para formar tetraedros de coordinación primaria; estos enlaces son extremadamente fuertes, con una energía de enlace superior a la del diamante (3,6 eV).

La estructura covalente del carburo de silicio le confiere propiedades semiconductoras de amplia banda prohibida, lo que permite que electrones y huecos se muevan libremente por su superficie material, lo que posibilita la formación de corrientes, la transferencia eficaz de energía y la formación de corrientes, convirtiéndolo en un componente versátil en dispositivos de alta temperatura, como los semiconductores de potencia.

El SiC es conocido por su excelente conductividad eléctrica, resistencia química y durabilidad en entornos exigentes. Presenta una extraordinaria tenacidad a la fractura de 6,8 MPa m0,5, lo que indica su capacidad para resistir la propagación de grietas en condiciones de tensión; además, cuenta con una extraordinaria resistencia a la flexión de 490 MPa, lo que lo convierte en uno de los materiales más duros conocidos por el hombre, y una impresionante dureza de 32 GPa para una mayor resistencia a la abrasión.

El carburo de silicio, aunque es un aislante eléctrico por naturaleza, puede transformarse en semiconductor mediante la adición controlada de impurezas conocidas como dopantes que crean portadores de carga libres y alteran los niveles de energía en su estructura cristalina. Los dopantes de aluminio y boro producen semiconductores de tipo P, mientras que el nitrógeno y el fósforo dan lugar a semiconductores de tipo N.

Gracias a su capacidad para controlar la concentración de dopantes y la química del dopaje, el carburo de silicio puede producir estructuras cristalinas con diferentes conductividades eléctricas, desde altamente aislantes a moderadamente conductoras, lo que hace del carburo de silicio una opción popular para su uso en componentes electrónicos de potencia y dispositivos de alta temperatura. El SiC puede proporcionar una intensidad de campo eléctrico de ruptura 10 veces superior a la del silicio a tensiones de resistencia equivalentes, mientras que su baja resistencia de capa de deriva mejora la eficacia de las operaciones de los dispositivos.

Conductividad térmica

El carburo de silicio destaca entre los materiales sólidos como uno de los de mayor conductividad térmica, con una asombrosa conductividad térmica de 490 W/(mK) a temperatura ambiente, comparable a la del aluminio pero mucho mayor de lo que cabría esperar debido a su estructura rocosa. Este fenómeno puede atribuirse a la baja densidad atómica del SiC y a su naturaleza compacta; las bajas concentraciones de defectos puntuales y de impurezas de oxígeno también contribuyen significativamente a la conductividad térmica de este material.

El SiC presenta la mayor resistencia a la abrasión de todos los minerales conocidos y es más duro que muchos aceros y materiales cerámicos, por lo que resulta ideal para aplicaciones de fabricación industrial. Además, su resistencia a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas lo hace popular entre los industriales y las industrias manufactureras, mientras que su resistencia mecánica y durabilidad lo hacen adecuado para su uso como abrasivo, herramienta de corte y material estructural - así como chalecos antibalas, células antibalas para automóviles, uso aeroespacial así como células de combustible microencapsuladas totalmente cerámicas (B.

El carburo de silicio, comúnmente conocido como carburo de silicio, es un mineral natural conocido como moissanita que se produce en masa como producto químico industrial desde hace más de cien años y se utiliza ampliamente en diversas industrias y aplicaciones. El carburo de silicio se utiliza como abrasivo en muelas abrasivas, en la fabricación de chalecos antibalas de cerámica y en automóviles, mientras que la electrónica de potencia utiliza semiconductores de carburo de silicio con bandas de separación más anchas que el silicio normal, lo que permite frecuencias de conmutación más altas con menor resistencia y sistemas de conversión de potencia más compactos y eficientes.

La elevada dureza del SiC permite utilizarlo en la producción de refractarios resistentes al desgaste para su uso en la fabricación de hierro y acero, metales no férreos, cerámica y producción de energía. Debido a su inercia química y a su resistencia a la oxidación y a la degradación a altas temperaturas, el SiC es una opción excelente para revestimientos de hornos, muebles de hornos, ladrillos de control, muflas y artesas utilizados en las plantas de purificación de zinc.

La naturaleza cristalina del carburo de silicio lo hace duradero y resistente, lo que lo convierte en un material excelente para su uso en productos abrasivos como las muelas. Su dureza supera a la de la alúmina y el diamante, y es químicamente inerte, lo que le permite soportar la exposición a numerosos productos químicos y disolventes sin sufrir daños ni degradación.

Resistencia a la corrosión

El carburo de silicio tiene una dureza Mohs extremadamente alta, de 9, lo que lo hace mucho más duro que piedras naturales como el diamante. Además, es extremadamente rígido y presenta un bajo coeficiente de dilatación térmica, ideal para aplicaciones en las que los componentes deben resistir la dilatación/contracción provocada por los cambios de temperatura.

La composición química del carburo de silicio Sic también le confiere una excepcional resistencia a la corrosión en entornos agresivos, como el agua, el alcohol y la mayoría de los ácidos orgánicos. Además, es insoluble en agua, alcohol y la mayoría de los ácidos orgánicos, así como en la exposición a la mayoría de los gases, lo que lo hace adecuado para su uso en entornos de plasma de flúor o cloro sin degradación ni corrosión de las superficies o estructuras.

El SiC es muy solicitado para componentes utilizados en el procesamiento de semiconductores, como susceptores y placas de distribución de gas, debido a su excelente resistencia a la abrasión y a los productos químicos. Además, las herramientas de corte fabricadas con SiC han demostrado ser muy duraderas. Además, la capacidad del SiC para soportar altas temperaturas a la vez que los impactos lo ha hecho ideal para su uso como material refractario en aplicaciones de metalurgia, cerámica y refractarios para la producción de metales no férreos.

El carburo de silicio puro actúa como aislante eléctrico; sin embargo, pueden introducirse impurezas o dopantes para crear semiconductores que faciliten la semiconductividad y permitan así el paso libre de la corriente sin repeler ni permitir el flujo libre, lo que confiere al carburo de silicio propiedades únicas en comparación con las cerámicas refractarias y otros materiales.

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Dureza

El carburo de silicio fue descubierto accidentalmente por Edward Acheson en 1891 tras calentar carbón y arcilla juntos en una olla de hierro, y se ha convertido en una de las cerámicas industriales más codiciadas por sus excelentes propiedades termomecánicas. Mantiene su resistencia a temperaturas de hasta 1.400 ºC y es extremadamente duro (con una dureza Mohs de 13), sólo superado en dureza por el diamante y el carburo de boro. Además, el carburo de silicio químicamente inerte posee excelentes cualidades de resistencia a la fatiga, lo que lo hace perfecto para aplicaciones de alto esfuerzo, como las herramientas de corte.

El carburo de silicio Sic no sólo presenta dureza, sino también una impresionante tenacidad a la fractura de 6,8 MPa m0,5, lo que indica su capacidad para resistir la propagación de grietas. Además, su módulo de Young de 440 GPa indica su rigidez y capacidad para mantener la forma bajo tensión. Además, el carburo de silicio sódico también presenta un bajo coeficiente de dilatación térmica y es muy resistente a la abrasión.

Debido a sus superiores propiedades térmicas y mecánicas, el carburo de silicio sódico encuentra una amplia aplicación en numerosas industrias y aplicaciones, desde herramientas de corte abrasivas y materiales estructurales (chalecos antibalas/blindajes compuestos) hasta componentes de automóviles como discos de freno. Además, los refractarios de alta temperatura para quemadores/muflas/paredes de horno también utilizan este material.

El carburo de silicio sic está llamado a revolucionar la electrónica de potencia, una tecnología esencial de la vida moderna. Como semiconductor de banda prohibida ancha con uno de los campos eléctricos de ruptura más altos entre los materiales semiconductores, el carburo de silicio sic permite conmutadores de potencia más pequeños y rápidos con menor resistencia de conducción a altas frecuencias para aumentar la eficiencia y reducir la pérdida de energía.

El carburo de silicio SiC es un material extremadamente duradero, resistente a los ataques químicos y que puede utilizarse con seguridad en entornos agresivos como sales fundidas, ácidos y álcalis. Debido a su resistencia a la abrasión, es un material excelente para la fabricación de metales que requiera operaciones de corte y esmerilado; de forma similar, es un material excelente para procesos de alta tecnología que requieran la fabricación de semiconductores, donde la oxidación podría comprometer la funcionalidad y la seguridad; su naturaleza robusta también se presta a su uso en entornos de alta tensión que requieran resistencia a los golpes, como hornos, hornos o cualquier aislante eléctrico que requiera propiedades de resistencia a los golpes.