Los productos cerámicos de carburo de silicio (SiC) son bien conocidos por su resistencia a la corrosión, la abrasión y las altas temperaturas, cualidades que también los convierten en materiales refractarios de larga duración para toberas de quemadores y tubos de chorro y llama.
El SiC es un material ideal, que mantiene su resistencia incluso a temperaturas de hasta 1600degC, al tiempo que ofrece una alta conductividad térmica, bajos índices de expansión térmica y excelentes propiedades de resistencia al desgaste. Además, este material duradero puede soportar ácidos y sales fundidas sin desintegrarse ni romperse en pedazos.
Dureza
El SiC es un material ideal para componentes diseñados para soportar entornos extremos, ya que su resistencia y resiliencia lo hacen idóneo para las aplicaciones que lo requieren. Presenta una elevada tenacidad a la fractura (6,8 MPa m0,5) y módulo de Young (440 GPa), por lo que la tensión mecánica no lo agrieta ni deforma, mientras que su resistencia a la flexión y resiliencia lo hacen adecuado para aplicaciones a prueba de golpes, ya que tanto la resistencia a la flexión como a los golpes están garantizadas por la composición única del SiC.
La dureza del carburo de silicio le permite resistir la erosión, el desgaste, las tensiones mecánicas causadas por los impactos e incluso la exposición a soluciones ácidas y lejías, lo que lo convierte en uno de los materiales más duros que existen, por lo que es perfecto para herramientas de corte, así como para las placas cerámicas de los chalecos antibalas.
La baja expansión térmica y la alta conductividad térmica del carburo de silicio le permiten funcionar eficazmente en una amplia gama de temperaturas, mientras que su inercia química lo hace resistente a la corrosión. De hecho, la excepcional capacidad del carburo de silicio para soportar altas temperaturas y factores ambientales lo convierte en un excelente candidato para su uso en la producción de vehículos eléctricos.
El carburo de silicio puede parecer inicialmente un aislante eléctrico, pero su estructura atómica única le permite transformarse en un semiconductor con la adición de impurezas controladas o dopantes. Al doparlo con dopantes de aluminio, boro, galio o nitrógeno/fósforo se obtienen propiedades semiconductoras de tipo p o n, según los dopantes que se añadan; su adaptabilidad le permite servir para múltiples usos, incluidas aplicaciones de generación de energía en las que el cobre ha sido tradicionalmente el material elegido.
El carburo de silicio se produce de forma natural como el raro mineral moissanita; sin embargo, su producción en masa como polvo y cristal desde 1893 para su uso como abrasivo ha hecho sentir su presencia. Las piedras preciosas de corindón también se pueden cultivar como grandes cristales individuales de carburo de silicio; se une bien con el carbono y otros elementos para formar cerámica compuesta y abrasivos compuestos; se utiliza comúnmente para el mecanizado industrial, así como la fabricación de piezas de automóviles de alto rendimiento utilizando el proceso de fabricación pulvimetalúrgica que permite formas complejas con costos relativamente bajos que le permite ser formado en formas complejas utilizadas para aplicaciones que van desde la molienda, corte a aplicaciones de mecanizado de alta velocidad que permite su uso en múltiples aplicaciones tales como operaciones de molienda / corte / mecanizado.
Conductividad térmica
El carburo de silicio cuenta con un impresionante conjunto de propiedades deseables. Es la cerámica más dura y ligera que existe, con una excelente resistencia al choque térmico y bajos parámetros de dilatación térmica. Además, la impresionante resistencia del carburo de silicio le permite soportar importantes esfuerzos de tracción sin sufrir daños ni fallos, lo que lo hace idóneo para muchas aplicaciones industriales.
El carburo de silicio es también extremadamente resistente a la corrosión y a la degradación química, soportando la mayoría de los ácidos (excepto los ácidos clorhídrico y sulfúrico), bases, disolventes y todos los medios oxidantes. De hecho, el carburo de silicio sólo es superado por el diamante en términos de dureza, mientras que el nitruro de boro cúbico ofrece una resistencia superior a la abrasión, cualidades que hacen del carburo de silicio una elección increíblemente popular para aplicaciones de corte, esmerilado y perforación.
Las propiedades refractarias del carburo de silicio lo convierten en un material excelente para su uso en blindajes de protección, ya que absorbe las ondas de choque con un daño mínimo. Como alternativa al vidrio balístico y al carburo de boro, los chalecos antibalas de carburo de silicio pueden resultar muy ventajosos. Los sellantes de carburo de silicio también son muy útiles, incluidas las aplicaciones utilizadas en ejes de bombas de alta velocidad.
Como la mayoría de los materiales cerámicos, el carburo de silicio tiene propiedades aislantes eléctricas por naturaleza; sin embargo, puede hacerse semiconductor mediante el dopaje con pequeñas cantidades de impurezas o agentes dopantes durante la producción, alterando su concentración de iones en la superficie, lo que en este caso da lugar a un comportamiento semiconductor de banda ancha para el carburo de silicio.
La combinación de silicio y carbono del carburo de silicio le confiere unas propiedades físicas y mecánicas únicas, lo que lo convierte en un material muy versátil. Soporta la abrasión, la erosión y la corrosión con la misma eficacia que el desgaste por fricción, por lo que es adecuado para plantas químicas como componentes de molinos y expansores, boquillas y pulverizadores, bombas magnéticas para la industria química y bombas de lata que funcionan sin mantenimiento durante largos periodos de tiempo; una ventaja añadida es su estabilidad física en entornos corrosivos y su resistencia a la degradación química y a la segregación inducida por la radiación, lo que convierte al carburo de silicio en un material inestimable.
Resistencia a la corrosión
El carburo de silicio es un material increíblemente duradero que puede soportar la exposición a una amplia variedad de productos químicos, desde ácidos orgánicos y álcalis hasta sales fundidas y temperaturas elevadas, sin perder resistencia ni experimentar reacciones químicas, cualidades que lo hacen adecuado para herramientas de corte o aplicaciones de cierres mecánicos.
La producción de carburo de silicio implica la fusión de materias primas como arena de sílice de alta calidad y coque de petróleo en un horno de resistencia eléctrica de ladrillo, en el que el carbono del coque reacciona con el silicio de la arena para formar lingotes de carburo de silicio verde o negro que posteriormente se procesan en función de su aplicación prevista: el carburo de silicio verde suele presentar estructuras cristalinas gruesas, mientras que el carburo de silicio negro presenta estructuras cristalinas más finas que lo convierten en un mejor material abrasivo y de molienda.
El SiC es conocido por su excepcional resistencia a la corrosión y al desgaste y la abrasión, lo que lo hace ideal para juntas mecánicas y cojinetes que experimentan una fricción constante. Además, su bajo coeficiente de fricción y dilatación térmica hacen del SiC un material cerámico extremadamente duradero.
La corrosión es un proceso químico complejo que puede afectar significativamente al rendimiento de muchos materiales diferentes. Por lo general, la corrosión aumenta los defectos superficiales de los materiales, disminuyendo su resistencia. Este debilitamiento puede acabar provocando un fallo bajo tensión mecánica o térmica o acortar considerablemente su vida útil.
Para mantener la integridad de los componentes cerámicos, es fundamental elegir un recubrimiento adecuado. Existen numerosas opciones de recubrimiento, cada una de las cuales ofrece sus propias ventajas. El recubrimiento de carburo de silicio es especialmente resistente a la corrosión y constituye una opción excelente para la producción de cierres mecánicos; además, se emplea habitualmente en aplicaciones que requieren materiales duros con altos niveles de dureza; por otra parte, es una opción ideal cuando se expone a temperaturas extremas.
Resistencia química
La extraordinaria resistencia del carburo de silicio a los ataques químicos lo convierte en un material ideal para aplicaciones de alto rendimiento que exigen una resistencia mecánica y una durabilidad significativas. Su excelente tenacidad a la fractura y su notable resistencia a la flexión demuestran estas propiedades; la tenacidad a la fractura indica su capacidad para resistir la propagación de grietas bajo tensión, mientras que esta última destaca la resistencia a la flexión. Combinadas con la dureza, estas cualidades permiten al carburo de silicio soportar grandes cargas mecánicas en condiciones intensas y protegerse de los impactos repentinos sin sucumbir a los daños.
La extraordinaria dureza del carburo de silicio se debe a su exclusiva estructura cristalina, formada por átomos de carbono y silicio estrechamente unidos mediante fuertes enlaces covalentes en su estructura reticular cristalina. Además, esta disposición garantiza su notable estabilidad térmica, que le permite soportar altas temperaturas sin deformarse ni perder resistencia.
El carburo de silicio destaca entre los materiales industriales por su extrema dureza y estabilidad térmica, pero también presenta una gran resistencia a la corrosión, la oxidación y los ataques químicos. Gracias a la robustez de este material y a su gran resistencia frente a amenazas como la corrosión, se utiliza en aplicaciones tan diversas como papel de lija, revestimientos refractarios, herramientas de corte y piezas resistentes al desgaste en bombas y motores de cohetes.
La conductividad eléctrica inherente al carburo de silicio le confiere muchas aplicaciones útiles. Si se le añade aluminio o boro, sus propiedades eléctricas pueden modificarse para convertirlo en un semiconductor de tipo p o en un semiconductor de tipo n; si se le añade nitrógeno y fósforo, se obtiene este último tipo.
La naturaleza semiconductora del SiC permite utilizarlo en numerosas aplicaciones, desde elementos calefactores de resistencia para hornos eléctricos hasta componentes clave en termistores y varistores. Gracias a sus excelentes propiedades de resistencia a la temperatura y conductividad eléctrica, el SiC puede soportar temperaturas de servicio de hasta 1600oC con una mínima pérdida de resistencia.
El carburo de silicio, o moissanita, puede encontrarse de forma natural en pequeñas cantidades como mineral raro. La mayor parte del carburo de silicio comercial que se vende hoy en día se sintetiza mediante una reacción electroquímica a alta temperatura entre arena y electricidad; debido a sus propiedades superiores de dureza, estabilidad a altas temperaturas, conductividad eléctrica y resistencia química, resulta un material atractivo para una serie de aplicaciones exigentes.
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