Bigote de carburo de silicio

Los whiskers de carburo de silicio son fibras monocristalinas de tamaño nanométrico que presentan una estructura cristalina sin defectos y una excelente resistencia química, y se utilizan principalmente para reforzar materiales compuestos de metal, cerámica y polímeros y aumentar la resistencia a la fractura.

Tras la calcinación, el whisker de b-SiC muestra una mejora significativa con respecto a la eliminación de los fallos de apilamiento y la aparición de núcleos de crecimiento de grano, formando grandes granos tabulares de a-SiC según los resultados de DRX, MEB y MET.

Características

Los whiskers de carburo de silicio son fibras monocristalinas de tamaño micrométrico que pueden transferir tensiones en respuesta a cargas externas, proporcionando refuerzo para materiales compuestos metálicos, cerámicos y poliméricos en las industrias aeroespacial, energética y de defensa. Los whiskers de carburo de silicio presentan una excelente resistencia al desgaste, a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas, lo que los convierte en un excelente agente de refuerzo y endurecimiento.

Los whiskers de SiC desempeñan un papel cada vez más destacado en la cerámica estructural avanzada, pero los estudios sobre su microestructura bajo tratamiento a alta temperatura siguen siendo escasos. Hemos utilizado difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido para examinar los bigotes de SiC a temperaturas superiores a 2000 ºC; los bigotes crudos mostraron una severa aniquilación de fallas de apilamiento con formación de granos de b-SiC, mientras que los granos parciales de b-SiC sufrieron una transformación de fase a granos de a-SiC de prisma hexagonal y prisma triangular, tal y como se observó mediante los análisis de DRX y SEM.

Dado que estos whiskers pueden servir como agentes endurecedores, su uso como tales es un área de investigación prometedora. Cuando se añaden a una matriz cerámica, los whiskers forman capas interfaciales de a-SiC y b-SiC que aumentan la tenacidad a la fractura al tiempo que disminuyen la disipación de la energía de propagación de la grieta.

Para evaluar la eficacia de este método, se produjeron dos tipos de compuestos de matriz de bigotes: uno con bigotes Silar-SC-9 y otro con bigotes Tateho-SCW-1-S. Para evaluar su eficacia, se examinaron las curvas P-CMOD de estos compuestos en función de la dosificación de bigotes. Para evaluar su eficacia, se examinaron las curvas P-CMOD de estos composites en función de la dosificación de los bigotes; los creados con bigotes Silar-SC-9 mostraron valores CMOD más altos, lo que significaba que se habían dispersado eficazmente en los defectos iniciales de su matriz de cemento y los habían rellenado.

Los compuestos fabricados con los bigotes Tateho-SCW-1-S mostraron un valor CMOD inferior, lo que sugiere que no rellenaron completamente la matriz. El análisis de las superficies de fractura mediante microscopía electrónica de barrido reveló un desprendimiento limitado de los bigotes Silar-SC-9, pero no de los Tateho-SCW-1-S, lo que demuestra que los procesos de puente y desprendimiento contribuyen a mejorar la resistencia a la fractura de los materiales compuestos fabricados con materiales endurecidos con bigotes.

Aplicaciones

Los whiskers de carburo de silicio (SiC) se han desarrollado como materiales de refuerzo para aumentar las propiedades mecánicas de los materiales compuestos de polímeros, en concreto los compuestos de nailon. A diferencia de los rellenos metálicos o cerámicos, los whiskers de SiC ofrecen un módulo elástico, una resistencia y una dureza superiores, así como una mayor estabilidad química, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación a altas temperaturas e incluso pueden incorporarse a los compuestos de nailon para aumentar la resistencia a la abrasión. Se han empleado distintos métodos para sintetizar los bigotes de SiC, como la reducción carbotérmica, la deposición química de vapor o la combustión de materiales de desecho como la cáscara de arroz; sin embargo, la calidad puede diferir en cuanto a las dimensiones de su tamaño o la pureza de su producción.

La producción de whiskers de SiC requiere una combinación óptima de materias primas: coque de carbón, alúmina y sílice con alto contenido en carbono; la cascarilla de arroz constituye otra fuente ventajosa por su abundancia y relativo bajo coste. Una vez ensamblada esta materia prima, primero debe ser calcinada en aire para eliminar el exceso de carbono antes de reaccionar en un sistema continuo a granel a temperaturas de 1350 C-1800 C antes de ser purgada con gas inerte como medida de protección contra la entrada de humedad y la erosión de las paredes del horno.

La figura 1 representa un sistema continuo a granel para producir bigotes de SiC. Las cáscaras de arroz cocido se cargan en varios contenedores cilíndricos 9 que se apilan en una bandeja 10. La parte curvada inferior 11 de cada contenedor está hecha de grafito para soportar las altas temperaturas que se alcanzan al reaccionar con los materiales de alimentación, y después se traslada continuamente a las zonas de deshidratación, calentamiento y enfriamiento 14-18-19 para las reacciones antes de ser purgado con gas inerte para evitar que la humedad entre en el horno de conversión y dificulte el crecimiento de los bigotes.

Una vez que la reacción alcanza temperaturas entre 1200 y 1600 grados C, la atmósfera de CO se sustituye por argón. El resultado es la producción de whiskers de b-SiC con la longitud y el diámetro deseados, que se separan mediante tamices de las partículas de carburo de silicio que no han reaccionado antes de lavarse en agua caliente, secarse al vacío, envasarse y quedar listos para su distribución.

Seguridad

El carburo de silicio es un material extremadamente duro e inerte con una excelente resistencia al choque térmico que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren una larga resistencia, como embragues de automóviles o placas cerámicas de chalecos antibalas. Además, esta propiedad permite fabricar LED y sensores con carburo de silicio, y puede utilizarse como parte de materiales compuestos, como polímeros o aleaciones metálicas como las aleaciones de titanio.

La inhalación de partículas finas de polvo supone un riesgo potencial para la salud y debe tenerse cuidado al manipular este material. Por ejemplo, al manipular bigotes de carburo de silicio, se recomienda encarecidamente el uso de mascarillas y guantes, ya que sus partículas podrían penetrar en el sistema respiratorio por inhalación y provocar irritación, inflamación o incluso lesiones pulmonares permanentes.

Los estudios sobre trabajadores expuestos a fibras minerales artificiales en el trabajo han demostrado una correlación entre la exposición y patologías pulmonares, como el cáncer de pulmón, y los bigotes de carburo de silicio -debido a su tamaño y forma similares- y la exposición. Aunque se han realizado estudios sobre su posible impacto a largo plazo en la salud, no existen estudios de investigación epidemiológica sobre la exposición a largo plazo.

Los bigotes de SiC se evaluaron mediante un ensayo de viabilidad celular con células pulmonares de hámster chino V79, como era de esperar. El ensayo de viabilidad celular demostró que el SiCW-3S es más tóxico que el SiNW; además, el ensayo de traducción al níquel reveló que todos los bigotes ensayados podían romper el ADN, aunque sus tasas de muerte celular diferían en función de si contenían o no material granular similar a crocidolitos (SiCW-3 y SiNW).

El estudio de los efectos de los bigotes de SiC en los compuestos de PA6 reveló que la adición de un 2 % en peso de bigotes de SiC mejoraba significativamente la resistencia a la tracción, el alargamiento a la rotura, la tenacidad a la fractura y la ductilidad, cualidades especialmente ventajosas a la hora de diseñar estructuras de compuestos que requieren altos niveles de deformación durante el fallo.

Producción

La presente invención se refiere a métodos y aparatos para la fabricación continua de whiskers de carburo de silicio. El proceso descrito en la invención requiere crear una primera zona de reacción que contenga partículas microfinas de dióxido de silicio mezcladas uniformemente con carbono o su precursor, con una proporción aproximada de cinco o mayor en peso entre el dióxido de silicio y el carbono. Cerca de la primera zona de reacción se forma una segunda zona de reacción que contiene una masa fibrosa porosa de carbono activo o un precursor de carbono infusible. La proporción entre el precursor de carbono y el carbono inactivo es tal que, al formarse los bigotes de este material, su pureza supera en varios porcentajes a la de los procesos convencionales de carburo de silicio en estado sólido.

Los investigadores descubrieron que el uso de un metal alcalino o un haluro metálico alcalinotérreo como promotor de la reacción puede producir un rendimiento muy alto de bigotes de carburo de silicio con una excelente dispersabilidad y una baja densidad aparente, lo que hace que la reacción sea aún más rentable cuando se calienta a temperaturas de entre 400 y 700 grados centígrados, ya que a temperaturas más altas predomina la formación de cristales y la velocidad de reacción disminuye considerablemente. Además, las cáscaras de arroz asfixiadas entre 400 y 700 grados centígrados resultan más eficientes, ya que las formas cristalinas prevalecen a temperaturas más altas, lo que provoca velocidades de reacción más lentas en general.

Con una gran proporción molar de SiO2 respecto al carbono, la reacción se limita a producir SiO2. Por lo tanto, las impurezas no volátiles permanecen dentro de la sílice sin reaccionar en lugar de contaminar los whiskers de carburo de silicio con óxidos; en consecuencia, se obtienen whiskers con relaciones de aspecto muy elevadas y defectos mínimos como cuellos o ramificaciones.

Los whiskers de carburo de silicio producidos mediante este método también pueden conformarse fácilmente utilizando métodos adecuados en placas, barras, tubos, cilindros, esferas, alambres o gránulos para su uso como materiales de refuerzo o endurecimiento para cerámicas, metales y compuestos de polímeros con el fin de aumentar la dureza, la resistencia, la inercia química, la resistencia a la oxidación, la estabilidad térmica, la estabilidad dimensional y la resistencia a la tracción. Además, ofrece un método sencillo pero rentable de producir whiskers de muy alta calidad adecuados para su aplicación en estos campos.