¿Qué es la estructura del carburo de silicio?

El carburo de silicio es un material extremadamente duro, con una dureza Mohs de 9 que rivaliza con la del diamante. Además, posee una resistencia química y una conductividad térmica extraordinarias.

A escala industrial, la espuma de poliuretano se produce mediante una reacción electroquímica entre arena y carbono a altas temperaturas, con lo que se obtienen diversas durezas, rigideces y conductividades térmicas que la hacen ideal para diversos usos.

Propiedades físicas

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto cristalino de silicio y carbono extremadamente duro y quebradizo que se utiliza como abrasivo industrial desde finales del siglo XIX para muelas abrasivas, herramientas de corte y revestimientos refractarios. Además, el SiC también puede servir como un excelente material semiconductor debido a sus excelentes propiedades de conductividad térmica, resistencia al ataque químico, propiedades de resistencia a altas temperaturas, características de conductividad térmica, así como propiedades de inercia química.

Edward G. Acheson fue la primera persona en sintetizar artificialmente carborundo en 1891 en un intento de sintetizar diamantes sintéticos. Acheson calentó su mezcla de silico-carbono con electricidad en un horno eléctrico hasta obtener cristales negros parecidos a diamantes a los que llamó carborundo.

Se puede encontrar moissanita natural en pequeñas cantidades en ciertos tipos de meteoritos y en depósitos de kimberlita y corindón; sin embargo, casi todo el SiC que se vende hoy en día se fabrica sintéticamente a partir de materiales sintéticos. Existen varios politípos de SiC; el más frecuente es el SiC hexagonal conocido como a-SiC con estructura cristalina de zinc blenda similar a la del diamante; aunque la modificación beta con su estructura de zinc blenda es menos frecuente.

Propiedades químicas

El carburo de silicio (SiC) ha resurgido recientemente como material tecnológico esencial, gracias a sus excepcionales propiedades físicas y electrónicas. Los fiables dispositivos de potencia de SiC pueden alcanzar frecuencias de conmutación más altas con mínimas pérdidas de energía, lo que los hace más pequeños y energéticamente más eficientes que sus homólogos de semiconductores convencionales.

El carburo de silicio cristalino cristaliza en una estructura muy compacta formada por átomos de Si y C enlazados covalentemente y dispuestos en dos tetraedros de coordinación primaria con enlaces pi formados a partir de orbitales p solapados y enlaces sigma a partir de orbitales s solapados, unidos entre sí mediante enlaces pi formados a partir de enlaces pi y enlaces sigma respectivamente.

La composición química del SiC varía considerablemente en función de su tipo policristalino y del método de producción. Mientras que el SiC puro es incoloro, las impurezas le confieren tonalidades que van del verde al amarillo, pasando por el negro azulado. Además, el SiC resiste la mayoría de los ácidos orgánicos e inorgánicos, sales y álcalis en distintas concentraciones, excepto el ácido fluorhídrico y los fluoruros ácidos que podrían dañar su integridad.

El cuarzo es un material extremadamente duro y resistente que se utiliza como abrasivo y semiconductor similar al diamante. Este material puede encontrarse en productos como lijas, muelas abrasivas y herramientas de corte; materiales estructurales (chalecos antibalas; piezas de automóviles); así como sustratos de espejos para telescopios astronómicos.

Propiedades mecánicas

El carburo de silicio es el segundo material más duro, sólo superado por el diamante. Además, su durabilidad lo hace adecuado para la resistencia al choque térmico y la protección contra la corrosión, características que lo hacen popularmente utilizado en refractarios y aplicaciones electrónicas avanzadas.

El SiC es un material multicapa con una estructura cristalina extremadamente compleja que se presenta en diferentes formas según la disposición de los átomos de silicio y carbono que componen sus capas, que se enlazan covalentemente en formaciones tetraédricas para formar un material superresistente con una dureza Mohs comprendida entre 9 (alúmina) y 10 (diamante). Esto convierte al SiC en una sustancia extremadamente fuerte.

El dopaje de aluminio en el silicio hace que el material sea aún más duro, dando lugar a un semiconductor de tipo p. Cuando se utiliza como material refractario en bruto, presenta excelentes propiedades mecánicas, como una elevada resistencia a la tracción y a la propagación de grietas.

Su resistencia es tan grande que incluso puede tejerse en fibras para su uso en frenos y embragues industriales, mientras que forma un componente integral de la misión espacial europea BepiColombo a Mercurio; los paneles solares bepiColombo también lo contienen; ¡puede soportar incluso las condiciones extremas del espacio exterior!

Propiedades eléctricas

El carburo de silicio (SiC) es un aislante y un termorresistente excepcional, además de poseer notables propiedades eléctricas. Al ser un semiconductor de banda prohibida ancha con energías de transferencia de electrones tres veces superiores a las del silicio, el carburo de silicio soporta tensiones más altas y ofrece menor resistencia a temperaturas más elevadas, lo que mejora la eficiencia energética de los sistemas de conversión de energía.

El SiC cristaliza en una estructura estrechamente empaquetada que está unida covalentemente, gracias a que los átomos de silicio y carbono forman enlaces covalentes tetraédricos muy fuertes (energía de enlace de 4,6eV) compartiendo pares de electrones mediante orbitales híbridos, con sus esquinas unidas entre sí y en capas para formar formaciones llamadas politípicas.

Aplicaciones tecnológicas del carburo de sílice Formas cristalinas de alfa (a-SiC) y beta (b-SiC). El A-SiC presenta estructuras cristalinas hexagonales, mientras que las formas beta consisten en estructuras cristalinas cúbicas centradas en la cara. Las fuentes naturales pueden contener pequeñas cantidades de SiC alfa, mientras que la producción comercial suele provenir del calentamiento de arena de sílice con carbono en un horno de resistencia eléctrica para producir grados comerciales de carburo de sílice.