Carburo de silicio Diamante

El diamante de carburo de silicio es un material excepcional con una resistencia excepcional al desgaste que resulta especialmente atractivo para aplicaciones que implican resistencia al desgaste. La producción puede realizarse sin presión mediante la infiltración de preformas porosas de diamante ligado con carbono con silicio líquido.

El proceso de infiltración da lugar a la formación de una densa capa grafítica en la interfaz diamante/silicio que ofrece una resistencia excepcional.

Conductividad térmica

La conductividad térmica es una de las propiedades clave que hacen del diamante carburo de silicio un material atractivo para dispositivos electrónicos de alto rendimiento, como láseres semiconductores, transistores de alta potencia, amplificadores ópticos y LED de potencia. La elevada conductividad térmica del compuesto diamante/SiC permite una transferencia eficaz del calor a través de él, al tiempo que minimiza las pérdidas de energía en sus interfaces con las partículas de diamante. Su conductividad térmica superior se debe principalmente a la formación eficaz de carbono en las fases de SiC, así como a la sólida unión interfacial entre las fases de diamante y SiC.

Para conseguir la máxima conductividad térmica de los compuestos de diamante/SiC, hay que tener en cuenta tres parámetros estructurales: 1) contenido en volumen de diamante y silicio libre; 2) tamaño de grano del diamante; y 3) estructura de la interfaz entre el diamante y la fase de SiC. Para producir compuestos de alta calidad utilizando la tecnología diamante/SiC, sus condiciones de síntesis deben adaptarse de forma que se protejan sus partículas de diamante, por ejemplo, sinterizando a temperaturas superiores al punto de fusión del polvo de silicio como material de lecho y utilizando una mezcla de a-Si3N4 y polvo de silicio como material de lecho para un b-SiC amorfo.

Para que el diamante y el grafito puedan formar una matriz impenetrable adecuada para infiltrarse con silicio líquido, se puede utilizar un horno FAST/SPS a temperaturas elevadas con tiempos de sinterización cortos (menos de 30 segundos) para generar una fina capa de grafito en la interfaz entre el diamante y el b-SiC que mejore significativamente la conductividad térmica.

La composición se determinó mediante secciones transversales pulidas y microscopía electrónica de barrido (SEM). Las imágenes SEM revelan que el b-SiC está completamente incrustado en el diamante, sin que exista ningún espacio entre ellos. Además, un experimento de fractura ESB muestra que la propagación de la grieta tiene lugar principalmente a través del diamante tras iniciarse en una capa intermedia de grafito entre el b-SiC y el diamante; por tanto, es posible alcanzar un contenido residual global de silicio de 5 vol%.

Resistencia a la fractura

El carburo de silicio (SiC) es uno de los materiales cerámicos avanzados más duros y resistentes, con una excelente resistencia a la erosión y la abrasión, una excepcional conductividad térmica, un bajo coeficiente de expansión térmica y una excepcional conductividad térmica, lo que lo hace perfecto para aplicaciones de alta temperatura. Sin embargo, el SiC puede volverse susceptible a la oxidación a temperaturas de sinterización muy elevadas. Esta degradación de la dureza y la resistencia a la fractura limita su utilidad en aplicaciones exigentes, pero este problema puede remediarse aplicando a su superficie capas refractarias como el diamante.

El diamante cristalino posee propiedades mecánicas excepcionales que pueden aumentar considerablemente la resistencia a la fractura del carburo de silicio, más allá de su resistencia a la abrasión. Gracias a la difracción de rayos X y a la espectroscopia Raman, los investigadores pudieron medir la morfología y la distribución de las partículas de diamante en un compuesto de SiC y diamante totalmente denso fabricado a una presión de GPa; su dureza fue de 45 GPa y la dureza Knoop de 42 GPa, con un increíble módulo de Young de 560 GPa.

Al moler el polvo de SiC original con una mezcla de silicio y grafito y sinterizarlo a alta presión a GPa, se creó una capa intermedia de diamantes que mejoró la dureza en 35 GPa y aumentó significativamente la resistencia a la flexión a 3 GPa, duplicando prácticamente la resistencia a la fractura.

Se utilizaron penetradores Vickers para medir la tenacidad a la fractura de las muestras, y se observó que las grietas se propagaban predominantemente a través de los voladizos de la fase diamante. Además, la mayoría de los voladizos mostraban interfaces inclinadas debido a diferentes constantes elásticas entre las fases interconectadas o a daños locales en la interfaz diamante/SiC. Esto puede explicarse por diferencias en las constantes elásticas o por daños locales en la interfaz diamante/SiC.

Se analizaron los datos experimentales para examinar si la tenacidad a la fractura de los materiales compuestos TiO2-diamante tenía alguna correlación con la disipación de energía durante un ciclo de indentación, y para evaluar si su elevada dureza y tenacidad a la fractura podían atribuirse a la mejora de la unión entre las fases interconectadas; también se observó su marcado contraste con las superficies de fractura lisas observadas en las muestras sin capas intermedias de diamante.

Conductividad eléctrica

El diamante de carburo de silicio tiene una conductividad eléctrica extremadamente alta; sin embargo, este material es actualmente inadecuado para la mayoría de las aplicaciones debido al proceso de sinterización necesario para densificarlo completamente, lo que 20% provoca la contracción de la estructura del cuerpo, imposibilitando el mecanizado de tolerancias estrechas y necesitando herramientas y equipos caros para la producción.

La sinterización también produce una capa intermedia grafítica entre el diamante y la matriz de SiC, que sirve para protegerlo de la reacción con el silicio líquido y producir SiC. Además, su presencia limita la capacidad del diamante para absorber el calor del material de la matriz circundante y provoca una menor conductividad térmica.

Los científicos de materiales se enfrentan hoy a un reto clave a la hora de crear disipadores de calor compactos y rentables para dispositivos semiconductores de alta potencia, como transistores de potencia y fotodiodos, que requieren una amplia superficie de refrigeración. El aluminio y el cobre tienen conductividades térmicas elevadas, pero sus coeficientes de dilatación térmica lineal difieren considerablemente de los de los dispositivos semiconductores que deben refrigerar: ¡actualmente sus coeficientes de dilatación térmica lineal difieren en más de 20%!

Un enfoque alternativo consiste en utilizar un compuesto de diamante natural y SiC nanocristalino. Se ha creado una versión modificada con boro que puede sinterizarse a presiones y temperaturas más elevadas sin producir capas intermedias de grafito, lo que proporciona excelentes propiedades térmicas y mecánicas, así como una baja resistividad eléctrica.

El compuesto SiC-diamante mostró una excelente tenacidad a la fractura de 12 MPa-m1/2 cuando se sometió a un ensayo de flexión, como demuestra la imagen ESB que se muestra en la figura 1. La propagación de la grieta comenzó cerca de la interfaz grafito-diamante, lo que indica que las trayectorias de la grieta son cortas y reducen la tensión en el material compuesto.

El patrón de difracción de rayos X y el espectro Raman de un compuesto sin sinterizar muestran que el polvo molido con bolas contiene tanto silicio cristalino como amorfo. Al aumentar la temperatura de sinterización, la frecuencia de un pico de silicio amorfo disminuye al aumentar la temperatura de sinterización, lo que indica la transformación en silicio cristalino y luego en SiC durante el proceso de sinterización.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de los diamantes de carburo de silicio dependen tanto de la fuerza de la unión entre el diamante y el carburo de silicio como de la calidad de la interfaz diamante/grafito. Esta última desempeña un papel fundamental en la producción de materiales con una mayor resistencia a la fractura, al tiempo que disminuye la conductividad térmica en comparación con los diamantes monocristalinos, debido a la conversión del carbono de su estado cristalino a su estado amorfo en la interfaz y a la presencia de capas límite y microporos de grafito.

Para aumentar la resistencia a la fractura de estos materiales, se ha ideado un nuevo método de preparación que elimina la necesidad de infiltración en condiciones de bajo vacío. El fresado con bolas produce un polvo compuesto de diamante, grafito y silicio amorfo que luego se mezcla con polvo de carburo de silicio y se comprime a alta presión para formar una preforma con una excelente tenacidad a la fractura adecuada para diversas aplicaciones.

Para optimizar aún más las propiedades mecánicas de estos materiales, realizamos estudios exhaustivos sobre los efectos del tamaño de grano del diamante y la distribución polimodal en sus propiedades mecánicas. Tras realizar estas investigaciones, descubrimos que un material óptimo está compuesto por diamante con un tamaño de grano máximo de 10 mm que garantiza que todo el silicio amorfo se transforme por completo sin sobrecargar el material con partículas de silicio libres; además, su efecto no influye negativamente en las interacciones de la interfaz diamante/grafito.

Para analizar los resultados obtenidos en este estudio se emplearon la microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FE-SEM) y la espectroscopía de rayos X por energía dispersiva. La figura 5 muestra un ejemplo preparado según el EJEMPLO E, con una imagen FE-SEM que muestra partículas de diamante dispersas esféricamente por toda su matriz; no había grandes huecos entre las partículas, lo que sugiere que la carbonización había apretado aún más las preformas. La difracción de rayos X reveló silicio en gran parte amorfo con dos picos menores a 2Th = 28deg y 52deg que indican pequeñas cantidades de silicio cristalizado.