Carburo de silicio Diamante

El carburo de silicio es extremadamente duro, aunque menos que el diamante. Pero sigue ocupando el segundo lugar como material extremadamente duro.

Las preformas porosas de diamante ligado con carbono se someten a infiltración mediante la infusión de silicio por fuerza capilar a temperaturas superiores a su punto de fusión, tras lo cual el ligante de carbono se transforma en grafito.

Conductividad térmica

El diamante de carburo de silicio es un material de muy alta temperatura con una excelente conductividad térmica, muy utilizado en los campos de la ingeniería eléctrica, electrónica e industrial. Entre sus aplicaciones se incluyen la refrigeración y el calentamiento de semiconductores, transistores y LED de potencia, así como aplicaciones de iluminación de pantallas LED. La conductividad térmica de los compuestos de SiC/diamante depende de varios factores, como la cantidad y el tamaño del diamante, la composición de su material aglutinante y la estructura de sus interfaces entre componentes, así como el impacto de la capa intermedia grafítica en la conductividad térmica de este material.

Desde la década pasada, la creación de materiales altamente resistentes al desgaste con una excelente conductividad térmica ha sido un objetivo permanente de investigación y desarrollo. Los materiales de "diamante de carburo de silicio" pueden producirse mediante la infiltración de silicio líquido a través de fuerzas capilares a temperaturas superiores a 1425 grados C para formar estructuras cúbicas de b-SiC que podrían sustituir a los materiales de acero tradicionales como cojinetes, juntas o revestimientos interiores en aplicaciones industriales.

Para obtener una conductividad térmica óptima en los materiales compuestos de SiC/diamante, puede utilizarse una distribución bimodal de granos de diamante de distintos tamaños y fracciones para aumentar la conductividad térmica. Los sistemas bimodales ofrecen una conductividad térmica significativamente mayor en comparación con los sistemas monomodales debido a la presencia de capas atómicas grafíticas entre los granos de diamante y su matriz anfitriona de material matriz de b-SiC.

Además, las capas atómicas grafíticas se alinean perpendicularmente a la interfaz, creando sistemas bimodales con superficies relativamente grandes que aumentan la conductividad térmica. La conductividad térmica aumenta aún más si el diamante se sinteriza a temperaturas más elevadas o se mantiene durante tiempos de retención más cortos durante la infiltración de silicio, ¡aumentándola por encima de la del b-SiC puro! Además, la conductividad térmica de los materiales también depende de su cantidad de silicio y diamante libres.

Dureza

El carburo de silicio, compuesto por átomos de silicio y carbono, tiene una extraordinaria dureza Mohs de 9,5, por lo que ocupa el segundo lugar después del diamante en cuanto a dureza. Por su resistencia y durabilidad, el carburo de silicio tiene numerosos usos industriales.

El carburo de silicio comparte muchas de las propiedades del diamante, como su estructura cristalina tetraédrica -cuatro átomos de cada elemento comparten una red cúbica centrada en la cara para formar fuertes enlaces covalentes similares a los fuertes enlaces tetraédricos del diamante-, así como su elevada resistencia a la tracción y su bajo coeficiente de fricción, lo que convierte a ambos materiales en excelentes materiales para piezas de trabajo.

El carburo de silicio puede producirse mediante varias técnicas, con carburo de silicio sintético producido a través de la fundición de arena de cuarzo, coque de petróleo (o coque de carbón), astillas de madera u otras materias primas en hornos de alta temperatura. Una vez creado, el carburo de silicio presenta dureza, tiene un punto de fusión elevado y resiste la oxidación incluso en condiciones de temperatura extremas.

El carburo de silicio tiene muchas aplicaciones prácticas en la industria. Uno de ellos es el de los abrasivos. Gracias a sus excepcionales propiedades de resistencia y solidez, el carburo de silicio forma parte indispensable de lijas, muelas abrasivas y herramientas de corte. El carburo de silicio también se utiliza como componente aislante en hornos industriales, así como en piezas resistentes al desgaste en bombas y motores de cohetes y en sustratos semiconductores utilizados para diodos emisores de luz (LED).

Existen varios métodos para producir carburo de silicio. Las técnicas tradicionales utilizan un proceso de sinterización en el que el silicio en polvo y el carbono se combinan en una masa fundida a alta presión para formar un bloque sinterizado de carburo de silicio que puede cortarse a las formas y tamaños deseados. Otra alternativa consiste en hacer reaccionar silicio líquido con grafito poroso para crear moissanita sintética negra, que tiene algunas de las mismas propiedades mecánicas sin ser tan costosa.

Se ha descubierto que los materiales de diamante unidos con carburo de silicio especialmente producidos con capas intermedias grafíticas en su interfaz presentan una resistencia excepcionalmente alta, superior incluso a la de las interfaces diamante/SiC sin grafito, aunque no está claro si esto se debe a las capas grafíticas interfaciales.

Estabilidad química

Los diamantes de carburo de silicio son materiales extremadamente resistentes con una excelente estabilidad química, lo que los hace adecuados para aplicaciones de desgaste como juntas, revestimientos interiores y boquillas. Además, estos diamantes son excelentes herramientas de corte. Debido a su fuerte estructura cristalina y a sus buenas propiedades de dureza, el mecanizado de los diamantes de carburo de silicio es relativamente sencillo en comparación con muchos otros materiales duros, y también poseen un bajo coeficiente de fricción, lo que los hace adecuados para usos industriales.

Los diamantes de carburo de silicio han experimentado un rápido desarrollo debido al aumento de los requisitos de resistencia al desgaste. El carburo de silicio, un compuesto inorgánico formado por carbono y silicio con estructura cristalina hexagonal, puede producirse en diversas formas y tamaños. Edward Goodrich Acheson creó el primer compuesto de carburo de silicio en 1891 calentando juntos arcilla y coque en polvo en un recipiente de hierro hasta que se formaron cristales azules que se conocieron como carborundo - Acheson creía que este material tendría más valor que el carbón, ya que podría utilizarse para fabricar metales.

El carburo de silicio difiere en gran medida del diamante puro en que presenta una mayor estabilidad en condiciones de alta temperatura y tiene un bajo coeficiente de fricción, además de ser significativamente más barato. Por ello, el carburo de silicio se ha convertido en el material preferido para usos industriales.

Cuando se utiliza como polvo de lecho para preformas de diamante-siC, el polvo de lecho a-Si3N4 impide la formación de carburo de silicio y la formación de capas de corporación, lo que aumenta enormemente la resistencia de la interfaz diamante-siC con respecto a las muestras convencionales embebidas en silicio fundido.

Sin embargo, la naturaleza exacta de estas interfaces sigue siendo en gran medida inexplicable. Podría ser el resultado de uniones más débiles entre los planos grafíticos o de diferentes fases en la interfaz, lo que requiere más investigación para comprenderlo plenamente.

Se empleó la espectrometría de rayos X por dispersión de energía (EDX) para evaluar la distribución de la densidad atómica en una capa amorfa de material 3 C-SiC/diamante. Se observó una reducción escalonada en los perfiles de intensidad de los átomos de carbono y silicio cerca de su interfaz as-bonded, mostrando el carbono una pendiente menos pronunciada. El silicio mostró perfiles de densidad ligeramente cóncavos, mientras que los del carbono fueron más graduales.

Microestructura

Los diamantes son gemas naturales formadas a lo largo de millones de años, pero su producción puede hacerse sintéticamente por mucho menos dinero en un laboratorio. El carburo de silicio, otra gema sintética con propiedades similares pero mucho más barata, es mucho más duradero y rentable. Su alto índice de refracción le permite reflejar la luz con más eficacia que otras gemas, mientras que su durabilidad lo hace adecuado para el uso diario. Además, su bajo punto de fusión le permite soportar altas temperaturas y productos químicos sin resquebrajarse bajo presión.

La microestructura de los compuestos de diamante y carburo de silicio suele estar formada por redes tridimensionales interpenetradas de SiC y diamante. El tamaño y la morfología de las partículas determinan la estructura final de los carburos de silicio de triple unión; normalmente, las capas atómicas de interfaz grafítica se orientan perpendicularmente hacia la superficie de diamante/SiC para formar enlaces estrechos con ella, siendo su grosor normalmente mucho menor que la longitud de enlace entre los átomos de carburo de silicio y las capas atómicas de diamante.

Para conseguir una conductividad térmica óptima del diamante de carburo de silicio, es fundamental comprender cómo interactúan sus átomos. Se puede utilizar un haz de rayos X de sincrotrón para examinar las interfaces diamante-carburo de silicio y sus parámetros estructurales y su interacción. Los resultados mostraron interacciones interpartículas débiles; las zonas de contacto entre las partículas de diamante y SiC contienen capas de carbono vítreo, capas límite grafíticas y microporos, un indicio de la escasa conductividad térmica del diamante.

El SiC y el diamante interactúan estrechamente, pero su resistencia también depende de su microestructura. Esta microestructura consiste en una red tridimensional de partículas de diamante y carburo de silicio con una cobertura mínima de capas intermedias grafíticas en toda su superficie; además, esta microestructura también determina propiedades mecánicas como la resistencia a la fractura.

La resistencia de una muestra en voladizo aumenta a medida que más interfaces diamante/SiC se inclinan hacia su extremo cargado, como demuestran las simulaciones de dinámica molecular de interfaces paralelas. Una muestra con una inclinación de 40 nanómetros ha demostrado ser especialmente resistente.