Bigotes de carburo de silicio

Los whiskers de carburo de silicio, partículas monocristalinas de tamaño micrométrico con propiedades físicas y químicas excepcionales, han despertado un gran interés en la investigación debido a su amplio abanico de aplicaciones en muchos campos, como los materiales estructurales de alta temperatura y la cerámica para herramientas.

La cerámica mullita es un material refractario químicamente muy estable con propiedades mecánicas y físicas superiores, como alta dureza y resistencia a la fluencia térmica, aunque su tenacidad a la fractura sigue siendo relativamente baja. Los whiskers de SiC mejoran significativamente esta propiedad.

Propiedades físicas

Los whiskers de carburo de silicio son fibras monocristalinas de tamaño micrométrico parecidas al diamante en su estructura, que poseen las cualidades únicas de alta resistencia, rigidez, resistencia química y estabilidad térmica que las convierten en un excelente material de refuerzo para cerámicas, metales y compuestos poliméricos.

Los rellenos minerales pueden utilizarse para reforzar la cerámica, al tiempo que aumentan su ductilidad y dureza, resistencia a la oxidación, índice de expansión térmica y tenacidad a la fractura. Además, pueden añadirse a los compuestos de matriz polimérica para reducir las necesidades de relleno y hacerlos más resistentes al agrietamiento, la abolladura y los daños por fatiga.

Los bigotes pueden fabricarse mediante diversas técnicas, como la reducción carbotérmica de sílice, la reacción química entre haluros de silicio y CCl4, o la CVD con catalizadores metálicos. Por desgracia, su calidad y dimensión suelen verse limitadas por la aglomeración y la anisotropía (Wright, 2006). Un proceso más avanzado implica el crecimiento vapor-líquido-sólido, que permite colocar los bigotes en la profundidad de los poros de sustratos porosos y proporciona propiedades deseables.

Se estudiaron los bigotes y se compararon con las fibras de subproductos industriales en suspensión en el aire para determinar los posibles riesgos para los trabajadores que los manipulan, sin que se encontraran riesgos respiratorios significativos en los bigotes de SiC. Los resultados de la investigación concluyeron que los bigotes de SiC no suponen ningún riesgo importante cuando se manipulan.

Propiedades químicas

El carburo de silicio fue sintetizado artificialmente por primera vez por Edward Acheson en 1891 como material abrasivo conocido como carborundo (Enciclopedia Británica, 2014). Desde entonces se ha producido en masa utilizando arena de cuarzo y carbono calentados a altas temperaturas para formar lotes a gran escala de carburo de silicio que se utiliza en varios campos industriales debido a su excepcional resistencia, ventaja de peso y estabilidad a altas temperaturas, así como ser altamente resistente a la exposición a la radiación; sellos de cerámica y boquillas de chorro de arena utilizan carburo de silicio, mientras que la sustitución de sustancias de amianto durabilidad entre otros.

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto semimetálico formado por silicio y carbono con un punto de fusión de 2260 grados C y una baja presión de vapor que lo hace insoluble en agua, aunque soluble en alcohol y éter; sin embargo, debido a la exposición al aire a temperatura ambiente se degrada rápidamente dando lugar a una rápida degradación con el paso del tiempo. El SiC puede encontrarse como abrasivo en el papel de lija, así como en herramientas de revestimiento como las de chorro de arena, así como en muelas abrasivas u otros equipos de mecanizado.

Los bigotes de SiC pueden ser peligrosamente tóxicos para las células, alterando sus membranas y provocando su muerte. Estudios realizados en células de fibroblastos de ratón demostraron su citotoxicidad al inducir mutaciones en el ADN, aumentar el contenido total de ADN celular y provocar transformaciones malignas, efectos que disminuían cuando se recubrían con tensioactivos no tóxicos. Cuando se probaron contra células humanas de epitelio traqueal ciliado, resultaron ser más tóxicas que las fibras de subproductos industriales como el amianto y el sulfuro de níquel, pero menos dañinas que el talco y el dióxido de titanio.

Propiedades mecánicas

Los bigotes de carburo de silicio son un material de refuerzo ideal para endurecer cerámicas, metales y compuestos poliméricos. Sus propiedades incluyen una gran resistencia, dureza, inercia química y resistencia a la temperatura, así como una mayor resistencia a la oxidación de materiales como los materiales cerámicos de oxicarburo de silicio, que se han estudiado ampliamente como herramientas, componentes de motores y cerámicas resistentes al desgaste, en función de la química, la estructura y el tamaño de los cristales sintetizados mediante reducción carbotérmica, CVD o combustión de productos residuales como la cáscara de arroz.

Sin embargo, sus propiedades mecánicas son muy inferiores a las del silicio cristalino monolítico (c-Si). Para mejorar la resistencia a la tracción y a la fatiga de estos materiales, los investigadores los han modificado con materiales orgánicos o fibras inorgánicas conocidas como bigotes de SiC para mejorar la resistencia a la compresión y a la tracción, así como para disminuir la concentración de tensiones a su alrededor durante la fractura. Esta modificación ha aumentado significativamente la resistencia a la compresión y, al mismo tiempo, ha disminuido la concentración de tensiones durante la fractura.

La adición de whiskers de SiC a una matriz vitrocerámica mejora significativamente su resistencia y tenacidad, al tiempo que mantiene la facilidad de formación del vidrio y mejora el rendimiento tribológico. Además, puede aumentar la ductilidad, así como el límite elástico de Hugoniot en varios órdenes de magnitud; por otra parte, su morfología de fractura da muestras de ello al mostrar numerosos hoyuelos y bordes de desgarro, indicativos de su comportamiento dúctil.

Propiedades térmicas

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto químico extremadamente duro formado por silicio y carbono que se encuentra de forma natural en la piedra preciosa moissanita, pero del que se producen versiones en serie desde 1893 en forma de polvo y cristal para su uso como abrasivo. El carburo de silicio también se utiliza en aplicaciones que requieren una gran resistencia, como discos de freno cerámicos para automóviles y chalecos antibalas, así como juntas de ejes de bombas; su punto de fusión le permite soportar temperaturas extremas sin agrietarse ni deformarse con el tiempo.

Las propiedades térmicas de los whiskers de SiC dependen en gran medida de su microestructura, química superficial y tamaño. Con una baja presión de vapor y una estabilidad de hasta 1650 ºC, estos whiskers pueden utilizarse como refuerzo en diversos materiales, como metales y polímeros, mejorando su resistencia, dureza, inercia química y resistencia a la oxidación, al tiempo que prolongan su vida útil.

El análisis de la microestructura de los bigotes de SiC puede realizarse mediante microscopía electrónica de barrido y difracción de rayos X. Consisten en estructuras policristalinas formadas por los politípos 3C beta-SiC y 6H-SiC; un examen más detallado ha revelado que las regiones cristalinas poseen mayores densidades de defectos planares que las regiones amorfas debido a las microtensiones formadas en los planos 1 1 1 que ejercen efectos significativos en las superficies de fractura tanto por tensión como por flexión de los nanocompuestos PI-SiCw.