¿Qué es el carburo de silicio?

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto químico duro de silicio y carbono. Comúnmente conocido como carborundo, se encuentra en la naturaleza como el raro mineral moissanita y se fabrica en polvo o cristal desde 1893 para su uso como abrasivo.

Se produce industrialmente mediante el proceso Acheson, en el que la arena de sílice pura y el coque molido se calientan juntos a altas temperaturas para formar cristales de color amarillo a verde a negro azulado que subliman con la descomposición a 2700degC y tienen una densidad de 3,21g/cm3.

Termodinámica

El carburo de silicio (SiC), es una aleación compuesta de silicio puro y carbono que se fabrica comúnmente como abrasivo y en cerámica para su uso como abrasivo. Aunque se encuentra de forma natural como piedra preciosa moissanita, el SiC se utiliza cada vez más en dispositivos electrónicos a altas temperaturas o tensiones, como diodos emisores de luz y detectores que aprovechan sus propiedades.

El transporte físico de vapor (PVT) en el carburo de silicio requiere tanto la termodinámica como la cinética química para su comprensión, con la termodinámica proporcionando información sobre la viabilidad de la reacción, los productos finales, la estabilidad de la reacción y la cinética de reacción destacando su naturaleza dinámica.

En este trabajo estudiamos las propiedades estructurales, termodinámicas y dinámicas de la fase líquida del a-SiC mediante simulaciones de dinámica molecular ab initio con teoría del funcional de la densidad (DFT). Los resultados de nuestras simulaciones indican que se funde uniformemente como una sola fase a todas las presiones simuladas, lo que se corresponde con las observaciones experimentales. Las temperaturas de fusión calculadas reflejan fielmente las medidas experimentalmente; además, las líneas entre el silicio y el carbono no aparecen en ningún patrón de difracción.

Los resultados también demuestran que el a-SiC presenta la entalpía de sublimación más baja entre las cerámicas de ingeniería sin óxido de esta base de datos, y tiene la mayor energía de difracción a temperatura ambiente en comparación con cualquiera de ellas. Estos resultados sugieren que puede ser un material ideal para aplicaciones que requieren una alta conductividad térmica con expansión limitada.

Reacciones químicas

El carburo de silicio (SiC) es un material duro y resistente con excelentes propiedades eléctricas. Con un rango de temperaturas superior al de muchos semiconductores, el SiC resulta ideal para aplicaciones de alta temperatura, como motores a reacción y reactores nucleares, así como muelas abrasivas y herramientas de corte, gracias a su mayor solidez, resistencia al desgaste, conductividad térmica y capacidad de soportar campos eléctricos en comparación con el silicio.

El SiC comercial se presenta en dos formas: alfa y beta. La primera tiene una estructura cristalina hexagonal similar a la wurtzita y es el polimorfo más común. La zin blenda es menos frecuente, pero se encuentra en algunas instalaciones; debido a su punto de fusión y dureza más bajos, tiene usos industriales limitados, pero ha encontrado algunas aplicaciones como material de soporte para catalizadores heterogéneos.

El SiC destaca por tener un bandgap excepcionalmente amplio entre sus bandas de valencia y conducción, lo que se conoce como bandgap. Los materiales cerámicos ofrecen muchas ventajas frente a otros semiconductores, que sólo conducen la electricidad cuando los electrones pasan de su banda de valencia a su banda de conducción. Además, esta propiedad hace de la cerámica una opción excelente para entornos que requieren soluciones cerámicas resistentes y duraderas. En la actualidad, existen dos tipos de carburo de silicio para uso industrial: el carburo de silicio sinterizado (SSiC) y el carburo de silicio ligado por reacción (RBSiC). El SSiC puede producirse prensando y sinterizando polvo de SiC bajo calor y presión, mientras que el RBSiC requiere hacer reaccionar una mezcla de SiC, materiales aglutinantes y silicio líquido en un horno eléctrico reductor. Ambos métodos ofrecen ventajas distintas; sin embargo, el SSiC ofrece una mayor rentabilidad en comparación con su homólogo RBSiC. Ambos tipos presentan ventajas; sin embargo, el SSiC ofrece una mayor rentabilidad en cuanto a costes de producción en comparación con su homólogo RBSiC.

Estabilidad

El carburo de silicio (SiC) es un material cerámico no oxidado extremadamente estable con excepcionales propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas. Gracias a su resistencia a altas temperaturas y su dureza Mohs (9 cercana a la del diamante), su bajo índice de dilatación térmica y su resistencia a las reacciones químicas, el SiC es un material atractivo para componentes de alta temperatura como reactores, piezas de hornos, frenos/embragues/embragues de automóviles y chalecos antibalas. El SiC también funciona bien como material semiconductor gracias a su amplio intervalo de banda, lo que lo hace adecuado para reactores nucleares, ya que su tolerancia a los daños por radiación lo convierte en el material ideal.

La estabilidad de estas estructuras se debe a dos factores. El primero es su estructura simétrica, que impide la formación de granos de cristal frágiles; y el segundo se debe a las grandes fuerzas estabilizadoras dentro de su matriz atómica causadas por la unión entre átomos de silicio y carbono, que crean una coordinación triple entre átomos adyacentes para una mejor unión entre capas que dificulta el desprendimiento o la destrucción.

La estabilidad del SiC se ve reforzada por sus propiedades semiconductoras de banda ancha, alta resistencia, excelente resistencia al choque térmico y resistencia a la abrasión. Gracias a estas características, el SiC es un material ideal para aplicaciones de ingeniería extremas, como cojinetes de bombas, válvulas, inyectores para chorro de arena abrasiva y matrices de extrusión.

Aplicaciones

El carburo de silicio tiene muchas aplicaciones. Como cerámica no oxidada dura y duradera con propiedades deseables como alta resistencia a la oxidación, estabilidad dimensional, estabilidad química y resistencia mecánica, tiene varias aplicaciones, incluido el revestimiento protector de álabes de turbina y paletas de tobera de superaleación de níquel, así como su uso en abrasivos industriales, cerámicas y herramientas de corte de metales duros.

El SiC puro suele ser un aislante eléctrico, pero puede hacerse más conductor mediante dopaje. Es un material duro con una excelente resistencia al desgaste que soporta temperaturas y presiones muy elevadas, al tiempo que sirve como excelente material refractario con múltiples aplicaciones de ingeniería, como ladrillos, componentes de maquinaria y dispositivos electrónicos.

El carburo de silicio (SiC) aglomerado por reacción (RB) se fabrica infiltrando silicio fundido en carbono poroso que se ha empaquetado en la forma deseada con calor y presión, dando lugar a una cerámica que proporciona una excelente resistencia térmica, química y al desgaste y se presenta en varias formas y tamaños para su uso como juntas mecánicas, cojinetes o piezas de desgaste más grandes para equipos de minería o bombas; o en ladrillos refractarios utilizados como material de construcción industrial a altas temperaturas; además, suele ser el material elegido para toberas/cuchillas de motores de turbina de gas debido a su capacidad para soportar condiciones de calor/presión.