Conductividad térmica del carburo de silicio

El carburo de silicio, o carborundo (), es una cerámica dura producida en masa por primera vez en 1893 para su uso como abrasivo. Aunque existen casos naturales (gemas de moissanita y pequeñas cantidades de una roca ígnea llamada corindón), la mayor parte del uso moderno se hace sintéticamente.

Se sabe que el SiC presenta una alta resistencia a la fatiga, una elevada conductividad térmica y un bajo coeficiente de dilatación, lo que lo hace adecuado para la fabricación de productos que soportan altas temperaturas sin perder su resistencia en entornos corrosivos.

Propiedades termofísicas

El carburo de silicio es uno de los pocos materiales con alta conductividad térmica a temperatura ambiente. Por su dureza, rigidez y estabilidad térmica, el carburo de silicio es un material excelente para los espejos de los telescopios utilizados por los astrónomos.

Se utilizó la Teoría del Funcional de la Densidad para realizar investigaciones teóricas sistemáticas de los parámetros estructurales y las propiedades termofísicas a temperatura finita del carburo de silicio cúbico (3C-SiC). Nuestros resultados relativos a las constantes elásticas y la microdureza Knoop mostraron una concordancia satisfactoria con los datos experimentales, así como con los resultados calculados publicados en otros lugares.

Mediante el empleo de modelos de estructura optimizados, también obtuvimos estimaciones a nivel atómico de las energías de formación de defectos para ZrC, TiC y SiC utilizando modelos de estructura optimizados. Los resultados revelaron que la temperatura de Debye disminuye con el aumento del número de átomos de defecto, mientras que los defectos CZr antisita y VC presentan energías de formación más bajas que sus homólogos VSi y Sit; la reducción de su energía de formación puede afectar a la resistencia frente a la deformación uniaxial y por cizallamiento de las estructuras 3C-SiC.

Propiedades eléctricas

El carburo de silicio es uno de los materiales más duros y termoconductores de la naturaleza, resistente a los ataques de ácidos y álcalis y al calor hasta 1600 ºC sin pérdida de resistencia. Además, el carburo de silicio es un excelente conductor eléctrico.

La amplia banda prohibida del carburo de silicio lo hace adecuado para su uso en dispositivos semiconductores como diodos, transistores y tiristores, mientras que su capacidad para soportar grandes tensiones y corrientes lo hace útil también en dispositivos de alta potencia.

El SiC poroso puede modificarse añadiendo nanoplaquetas de grafeno (GNP), creando un material con propiedades térmicas mejoradas. Este material puede fabricarse mediante sinterización por plasma de chispa en fase líquida de polvo de SiC estequiométrico o no estequiométrico; se ensayaron varias combinaciones de coadyuvantes de sinterización (Y2O3 y La2O3) para evaluar sus efectos en la composición de fases, la microestructura y la conductividad térmica de materiales porosos con un contenido de GNP de hasta 20 vol%; se observó una dependencia no monotónica de la temperatura con materiales compuestos con un contenido de GNP de hasta 20%.

Propiedades mecánicas

La composición única del SiC de átomos de silicio y carbono en su red cristalina le confiere unas propiedades mecánicas extraordinarias que lo convierten en uno de los materiales cerámicos más duros y resistentes. Altamente resistente a la corrosión por ácidos, lejías, sales fundidas, así como a la abrasión; la rigidez y la resistencia hacen del SiC una opción de material atractiva también para componentes resistentes al desgaste, como muelas o brocas en molinos, expansores o extrusoras.

Además de ser ligero, el material cerámico presenta una excelente resistencia al choque térmico: puede soportar temperaturas de hasta 1600 ºC sin perder sus propiedades mecánicas ni su dilatación térmica, con bajos índices de dilatación térmica y un módulo de Young excepcionalmente alto que proporciona estabilidad dimensional.

La porosidad de las cerámicas porosas de SiC varía en función de su método de formación (unión por reacción o sinterizado). Los estudios han demostrado que tanto la conductividad eléctrica como la resistencia a la flexión aumentan con el incremento del contenido de B4C debido a su capacidad para adsorber el oxígeno de los materiales de matriz Si-C y disminuir así la longitud de dispersión de los fonones.

Aplicaciones

El carburo de silicio se utiliza como abrasivo y herramienta de corte en la fabricación. Debido a su superficie dura y resistente al calor, el carburo de silicio también puede encontrarse como semiconductor electrónico en diodos y transistores, ya que su tolerancia a la tensión puede superar a la del silicio.

La dureza del carburo de silicio, su resistencia a la corrosión y su alta conductividad térmica lo convierten en un material excelente para equipos de protección como cascos y placas de blindaje. Además, su inercia química significa que no reacciona con el agua, lo que lo hace ideal para su uso en entornos de alta humedad, como naves espaciales y entornos marinos.

El carburo de silicio recristalizado (RSiC) presenta una combinación de propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas incomparable con cualquier otra variante de SiC. Su densa microestructura confiere al RSiC un bajo coeficiente de dilatación, al tiempo que mantiene la resistencia y la rigidez a altas temperaturas; además, presenta valores de módulo elástico relativamente más altos que la cerámica de circonio estructural y tiene valores de coeficiente de dilatación térmica bajos en comparación con la cerámica de circonio estructural.