¿Qué es el carburo de silicio?

El carburo de silicio es un compuesto químico inerte con altos puntos de fusión y ebullición, que puede convertirse en placas cerámicas no reactivas utilizadas en chalecos antibalas. Como también es un material semiconductor, el carburo de silicio es un material excelente.

Gracias a sus excepcionales propiedades eléctricas, el silicio puede ampliar la autonomía de los vehículos eléctricos al mejorar la conservación de la energía y reducir el tamaño y el peso de los sistemas electrónicos de potencia.

Dureza

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto inerte y químicamente estable formado por carbono (C) y silicio (Si). Se produce de forma natural como la gema moissanita, y desde 1893 se produce en masa en forma de polvo para su uso como abrasivo y como parte de las placas de cerámica de los chalecos antibalas.

El SiC es el tercer material más duro de la Tierra, con una dureza Mohs de 13, lo que lo hace muy resistente a la deformación por compresión. Sólo el diamante (dureza Mohs de 15) y el carburo de boro (dureza Mohs de 14) superan la resistencia del SiC a la deformación por compresión.

El SiC granulado es relativamente quebradizo, pero puede fracturarse con una sierra de diamante, mientras que su resistencia a las altas temperaturas y su insensibilidad química hacen que no le afecten las soluciones concentradas de ácido fluorhídrico, ácido nítrico o ácido sulfúrico; sin embargo, se disuelve en soluciones alcalinas diluidas.

El carburo de silicio sinterizado por reacción (RSSC) es una cerámica avanzada que se ha convertido en los últimos años en el material preferido para aplicaciones de blindaje, debido a sus menores costes de producción en comparación con el carburo de silicio sinterizado directamente (DSSC) y a sus propiedades de porosidad cero. El RSSC presenta densidades de más de 3,04 g cm-3 para proyectiles con camisa/núcleo de plomo y de 3,08 g cm-3 para proyectiles perforantes de blindaje, con un rendimiento balístico comparable entre el RSSC y el DSSC.

Los abrasivos de carburo de silicio, como el carburo de silicio x4, son abrasivos de gran eficacia que convierten al carburo de silicio x4 en la mejor elección para el esmerilado, desbarbado, mezclado y acabado de metales no férreos, acero inoxidable y materiales compuestos. Ideal para aplicaciones de esmerilado a alta presión en entornos de fabricación de metales y fabricación aeroespacial, su tamaño de grano de 120 a 150 lo hace adecuado para uso intensivo en condiciones duras.

Conductividad térmica

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto químico extremadamente duro y un semiconductor. El SiC, que se encuentra en la naturaleza como la piedra preciosa moissanita, se produce en masa desde 1893 en forma de polvo y cristal para su uso como abrasivo o en aplicaciones que requieren una gran resistencia: los frenos, embragues y chalecos antibalas de los automóviles suelen incorporar SiC en sus diseños por su capacidad para soportar temperaturas extremadamente altas.

El SiC es un material ideal para aplicaciones de electrónica de potencia por su alta conductividad eléctrica, su gran brecha de banda y sus excelentes propiedades térmicas. Puede soportar las altas temperaturas y corrientes que se encuentran en dispositivos como los inversores sin sufrir pérdidas en la eficiencia de la tensión o la corriente; además, ayuda a reducir el peso al tiempo que disminuye el tamaño y las dimensiones de estos dispositivos.

El SiC destaca entre los semiconductores por sus propiedades térmicas superiores y su bajo coeficiente de dilatación, que lo hacen más estable que otros. Esto permite al SiC soportar temperaturas más altas y una exposición más prolongada a la radiación ultravioleta sin degradarse ni dañarse con el tiempo.

El SiC es un material excelente para su uso en aplicaciones de electrónica de potencia, especialmente inversores, debido a su excelente conductividad térmica, ya que puede gestionar corrientes más altas a temperaturas más bajas, al tiempo que ofrece pérdidas de energía reducidas que ayudan a aumentar la eficiencia y la vida útil del dispositivo.

El SiC ofrece muchas ventajas sobre sus homólogos en lo que respecta a la resistencia a la corrosión, con altos valores de punto de fusión y punto de ebullición que reducen el riesgo de oxidación y le confieren grandes propiedades de aislante térmico que evitan la transferencia de calor entre los componentes internos de los dispositivos.

El SiC es un material ideal para su uso en giroscopios debido a su amplio rango de temperaturas de funcionamiento y su resistencia a las vibraciones, por no mencionar un factor de calidad significativamente superior en comparación con otros materiales semiconductores.

El SiC cúbico se produce mediante métodos de síntesis basados en el carbono o de deposición química de vapor, ambos implican el uso de gases combinados en una cámara sin atmósfera antes de ser liberados sobre la superficie de una oblea para su deposición.

Resistencia al choque térmico

La resistencia al choque térmico se refiere a la capacidad de los materiales para soportar cambios bruscos de temperatura sin sufrir grietas internas, lo que los hace esenciales en aplicaciones relacionadas con la fabricación de semiconductores y equipos de alta tecnología. El carburo de silicio (SiC) ofrece excelentes propiedades de resistencia al choque térmico y debe tenerse en cuenta cuando se expone a altas tasas de fluctuación de la temperatura.

El SiC se puede encontrar en numerosos productos industriales, desde turbinas de gas y placas cerámicas para chalecos antibalas hasta componentes electrónicos de potencia para vehículos eléctricos, donde su aplicación ayuda a reducir las pérdidas de tensión y corriente a la vez que mejora la eficiencia térmica, contribuyendo así a aumentar la distancia de conducción y, al mismo tiempo, a reducir el tamaño y el peso de los componentes electrónicos de potencia.

Los investigadores realizaron un experimento que evaluó la resistencia al choque térmico del SiC x4 fabricado con nitruro de silicio. Este material tiene mayor resistencia y conductividad térmica que el carburo de silicio puro, lo que lo hace adecuado para dispositivos electrónicos de alto rendimiento; sin embargo, su punto de fusión más bajo significa que no es tan resistente al choque térmico. Los investigadores descubrieron que la adición de nitruro de silicio aumentaba significativamente la resistencia al choque térmico de esta variante del SiC en casi un 200 por ciento, convirtiéndolo en un material versátil y rentable adecuado para aplicaciones exigentes.

La resistencia al choque térmico del SiC x4 puede haber aumentado debido a su matriz porosa de grafito convertido, que contiene bolsas de silicio relativamente pequeñas distribuidas uniformemente, a diferencia del material de SiC siliconizado convencional, que suele presentar partículas más gruesas con muchas más bolsas grandes.

Esta nueva invención presenta una mayor resistencia al choque térmico gracias al SiC x4 con nitruro de silicio, lo que la hace especialmente aplicable en entornos RTP caracterizados por rápidas variaciones de temperatura que requieren materiales extremadamente duraderos para evitar el agrietamiento interno. Los investigadores descubrieron que presentaba una excelente resistencia al choque térmico a 500 grados C., una característica esencial para muchos entornos RTP.

Conductividad eléctrica

El carburo de silicio es un material electrónico conocido por sus excepcionales propiedades, que lo hacen muy codiciado por las industrias electrónicas de todo el mundo. Algunas de sus increíbles propiedades son la dureza, la resistencia a la corrosión y la conductividad térmica, cualidades que hacen que el carburo de silicio se utilice en aplicaciones industriales de gran demanda.

El SiC en estado puro actúa como aislante eléctrico; cuando se le introducen impurezas se convierte en semiconductor. Gracias a su amplia banda prohibida (la diferencia de energía entre las bandas de valencia y conducción de los átomos de un material), el SiC es ideal para aplicaciones de alta tensión en las que otros aislantes podrían resultar inadecuados debido a los requisitos prohibitivos de energía para que los electrones crucen de una banda a la siguiente.

Este amplio bandgap le permite reducir las pérdidas de tensión, mejorar la eficiencia y aumentar la capacidad de manejo de potencia en un encapsulado cada vez más compacto, lo que lo hace perfecto para aplicaciones electrónicas críticas. Además, su baja pérdida de energía significa que puede tolerar temperaturas más altas sin necesidad de sistemas de refrigeración activos que añaden peso, coste y complejidad a los equipos.

El SiC es ideal para su uso en entornos expuestos a humedad y calor extremos, como los sistemas de frenado de los automóviles. Gracias a su excelente resistencia a la oxidación, el SiC es un material excelente para las herramientas de corte, ya que puede rectificar metales como el acero y el aluminio con una degradación o desgaste mínimos, entre otras razones por su dureza Mohs de 9, ¡solo un escalón por debajo del diamante!

Las propiedades de alto voltaje del SiC lo hacen adecuado para su uso en componentes electrónicos de potencia clave de vehículos eléctricos, con menores pérdidas de potencia que el silicio, componentes de tamaño reducido y un mejor rendimiento general del sistema. Esto ayuda a los vehículos eléctricos a lograr una mayor autonomía con menos tiempo y costes de carga, así como una menor dependencia de sistemas de refrigeración activos externos que añaden peso, coste y limitaciones de espacio.

Las propiedades versátiles del carburo de silicio lo han convertido en un componente integral de muchas industrias, con el potencial de impulsar avances en el manejo de la energía y la eficiencia hasta 2024 y más allá. Gracias a su durabilidad, dureza, conductividad y fiabilidad, se emplea cada vez más en aplicaciones industriales críticas, con el objetivo de aumentar la viabilidad y la fiabilidad.