Usos del carburo de silicio

El carburo de silicio, comúnmente conocido como carborundo /karb@rndu/, es un compuesto cristalino sintético extremadamente duro de silicio y carbono que se utiliza desde hace mucho tiempo como material abrasivo y resistente al desgaste en diversos campos, como los refractarios y la cerámica, la producción de piezas resistentes al desgaste, la producción de sustratos para diodos emisores de luz y el sustrato semiconductor para diodos emisores de luz (LED). Desde finales del siglo XIX también sirve como sustrato semiconductor en diodos emisores de luz (LED).

La electrónica de potencia que funciona a altas temperaturas y tensiones también depende de este material para un funcionamiento fiable.

Discos de freno de alto rendimiento

El carburo de silicio (SiC), comúnmente conocido como carborundo desde 1891, se ha producido ampliamente desde su descubrimiento y puesta en producción en masa. Se utiliza principalmente en aplicaciones que requieren una durabilidad extrema, como frenos y embragues de automóviles, así como en placas de chalecos antibalas que contienen placas de cerámica fabricadas con este compuesto, que ocupa el puesto 9 en la escala de dureza de Mohs, sólo superado por el diamante entre las sustancias naturales.

El SiC es relativamente fácil de mecanizar y fabricar, lo que lo convierte en una opción popular para componentes que entrarán en contacto con altas temperaturas, como los discos de freno. Dado que sus superficies de fricción pueden alcanzar temperaturas que fundirían el acero o dañarían otros materiales, muchos sistemas de frenado emplean discos ventilados con múltiples orificios o ranuras diseñados para liberar los gases generados cuando se calienta su superficie de fricción.

Varios fabricantes producen SiC para su uso en abrasivos, metalurgia e industrias refractarias. Edward Acheson fue el pionero en 1891 de un método eficaz para crear este material: colocar arena de sílice pura con carbón de coque molido en un horno calentado eléctricamente y hacer pasar una corriente eléctrica a través de él provoca reacciones químicas que producen pequeños cristales de SiC que se muelen en forma de polvo para su uso comercial.

Armadura antibalas

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto cristalino sintético ultraduro compuesto de silicio y carbono, cuya dureza sólo es superada por la del carburo de boro y el diamante en la escala de Mohs. Desde finales del siglo XIX se ha utilizado en componentes resistentes al desgaste, como muelas, herramientas de corte y papel de lija, debido a su dureza y otras propiedades deseables. Además, puede encontrarse como parte de materiales refractarios, cerámicas o incluso sustratos semiconductores para diodos emisores de luz (LED).

Edward Acheson produjo por primera vez moissanita artificialmente hacia 1891, cuando hizo un descubrimiento inesperado de pequeños cristales negros durante un proceso de calentamiento de mezclas de carbono y alúmina, lo que le llevó a crear el proceso Acheson y la producción comercial. Su homólogo natural sólo se encuentra en meteoritos o en ciertos materiales refractarios.

El SiC está compuesto por capas muy juntas unidas por enlaces covalentes. Cada una de estas capas contiene dos tetraedros de coordinación primaria formados por cuatro átomos de silicio y cuatro átomos de carbono dispuestos en diversas disposiciones para formar distintos politípos de SiC; estas estructuras ofrecen una dureza extrema con propiedades físicas individuales que varían considerablemente.

El SiC es un material ideal para componentes sometidos a cargas extremas y temperaturas extremas, como cojinetes de bombas, válvulas, inyectores de chorro de arena, aplicaciones de sellado de ejes a altas velocidades, así como espejos de grandes telescopios astronómicos, debido a su combinación de resistencia, rigidez, conductividad térmica y propiedades de baja expansión térmica. Como resultado de estas características, a menudo se emplea en aplicaciones de ingeniería que requieren componentes con estas características, como cojinetes de bombas, válvulas, inyectores de chorro de arena y sellado de ejes a altas velocidades.

Materiales semiconductores

El carburo de silicio ha experimentado un extraordinario aumento de popularidad debido a la creciente demanda de electrónica de potencia. Su combinación de propiedades físicas y electrónicas lo hace ideal para producir campos eléctricos de ruptura más elevados, menores pérdidas de conmutación y mayor eficiencia energética.

El carburo de silicio, aunque normalmente es un aislante, puede transformarse en semiconductor dopándolo con determinadas impurezas. Cuando está dopado con dopantes de aluminio, boro, galio o nitrógeno (semiconductor de tipo P), el carburo de silicio se comporta como un semiconductor de tipo N; cuando está dopado con dopantes de fósforo, actúa como un semiconductor de tipo N. Los dopantes afectan a la movilidad de los electrones en términos de estructura de bandas: los electrones se mueven por las bandas de conducción mientras que los huecos recorren las bandas de valencia.

El SiC es conocido por tener una brecha de banda excepcionalmente ancha, lo que le permite alcanzar campos eléctricos de ruptura mucho mayores que el silicio convencional. Así se reducen las pérdidas por conmutación y se reduce el uso de componentes, lo que se traduce en una mayor eficiencia energética, algo especialmente valioso en los sistemas de conversión de potencia para vehículos eléctricos, que deben soportar voltajes y temperaturas más elevados.

El carburo de silicio también puede utilizarse en materiales compuestos, como el carburo de silicio reforzado con fibra de carbono (CFRC), para producir estructuras resistentes y ligeras que soporten temperaturas y tensiones extremas, como las que se experimentan durante el frenado. Además, el carburo de silicio sirve como componente en blindajes antibalas, como el blindaje Chobham, ya que puede resistir impactos de alta velocidad.

Almacenamiento de energía

El carburo de silicio (SiC), comúnmente conocido como carborundo, es un material extremadamente fuerte y afilado con la mayor resistencia a la tracción de todos los materiales naturales. Cristalizado en enlaces covalentes estrechamente empaquetados de 4 átomos de silicio y 4 átomos de carbono, el carburo de silicio es muy resistente a los ácidos inorgánicos, sales y álcalis, y posee una de las mayores resistencias a la tracción disponibles en la actualidad.

La moissanita, que existe de forma natural como el raro mineral moissanite, se produce en masa en forma de polvo desde 1907 para diversos usos, como abrasivos para muelas abrasivas y aplicaciones de cerámica dura, como frenos y embragues de automóviles, así como placas de cerámica para chalecos antibalas. Desde 1907 también se emplea en aplicaciones electrónicas como diodos emisores de luz (LED) y detectores.

El SiC puro es un aislante eléctrico. Sin embargo, al añadir dopantes como el nitrógeno y el fósforo (los dopantes se utilizan para modificar las propiedades de los materiales), el SiC actúa como un semiconductor y ayuda a los dispositivos electrónicos de potencia a alternar eficazmente entre los estados conductor y no conductor para generar o consumir energía de forma eficiente.

Los semiconductores de SiC ofrecen mejoras significativas respecto a los semiconductores de silicio tradicionales en lo que se refiere a pérdidas de tensión y corriente, eficiencia térmica y reducción de tamaño/peso en comparación con sus homólogos de silicio. Por ello, el SiC es ideal para los inversores y convertidores CC/CC de los vehículos eléctricos, que facilitan la carga rápida de CC al tiempo que reducen el tamaño y el peso de los componentes electrónicos de potencia esenciales. Incluso puede funcionar a temperaturas y frecuencias más altas que los semiconductores normales.