El carburo de silicio es un compuesto cristalino sintético de carbono y silicio extremadamente duro. Se utiliza habitualmente en aplicaciones refractarias y resistentes al desgaste, así como en dispositivos de estado sólido como los diodos emisores de luz.
El inventor estadounidense Edward G. Acheson hizo este descubrimiento mientras buscaba la manera de producir diamantes artificiales; bautizó este nuevo material con el nombre de carborundo.
Propiedades físicas
La combinación única de alta conductividad térmica, baja expansión térmica, dureza y resistencia al ataque químico del carburo de silicio lo convierte en un material versátil con numerosas aplicaciones que van desde herramientas abrasivas y material estructural (chalecos antibalas y placas de freno cerámicas para discos de freno de automóviles), hasta pararrayos y espejos de telescopio. Además, el SiC también se utiliza como parte integrante de la gama de conducción de vehículos eléctricos, incluidos los inversores que ayudan a conservar la energía de forma más eficiente al tiempo que permiten sistemas de gestión de baterías más pequeños y ligeros.
Los fabricantes producen carburo de silicio cúbico utilizando métodos de síntesis a base de carbono o de deposición química de vapor, ambos requieren mucha energía, equipos y experiencia para tener éxito.
El carburo de silicio contiene dos enlaces covalentes entre sus átomos de carbono que se forman por el solapamiento lateral de sus orbitales p, lo que da al carburo de silicio su brillo característico y da lugar a su nombre común de “moissanita”, aunque los cristales naturales de moissanita son relativamente escasos; la mayor parte de la moissanita disponible comercialmente hoy en día se crea sintéticamente.
Propiedades químicas
El carburo de silicio (comúnmente conocido como carborundo) es una cerámica industrial dura y duradera que se utiliza en numerosos procesos de producción. Ha desempeñado un papel inestimable en el avance de la industria y la tecnología durante muchos años.
Los cristales de SiC ofrecen una amplia gama de propiedades químicas gracias a su característica estructura covalente, en la que los átomos de silicio y carbono forman fuertes tetraedros de coordinación mediante enlaces covalentes que comparten pares de electrones en orbitales híbridos sp3. Estos tetraedros pueden organizarse en diversos patrones dentro de una red cristalina, dando lugar a múltiples poliotipos.
La disposición de las capas de silicio y carbono dentro de cada polietileno determina sus propiedades electrónicas. Como tal, cada uno tiene diferentes energías de banda prohibida; las que se encuentran en a-SiC oscilan entre 2,2eV y 3,3eV dependiendo de su estructura.
El carburo de silicio en su forma más pura actúa como un aislante eléctrico; sin embargo, pueden añadirse impurezas como aluminio y nitrógeno para cambiar sus propiedades y adoptar un comportamiento similar al de los semiconductores, lo que permite que dispositivos como los IGBT y los MOSFET alcancen altas tensiones de ruptura con una baja resistencia al encendido.
Propiedades eléctricas
El carburo de silicio posee varias propiedades físicas y químicas únicas que lo convierten en un material excelente para aplicaciones de electrónica de potencia. En comparación con el silicio, su banda prohibida más ancha permite que los dispositivos electrónicos funcionen a temperaturas, tensiones y frecuencias más altas que sus equivalentes de silicio.
Cerámica con clasificación 9 en la escala de Mohs, con propiedades superiores como la conductividad térmica y la resistencia a las reacciones químicas y la corrosión, muy utilizada en frenos de automóviles, chalecos antibalas, herramientas eléctricas y muchos otros usos. Presenta un bajo coeficiente de dilatación, una excelente conductividad térmica y resistencia a la abrasión/desgaste. Con una alta conductividad térmica y resistencia a la corrosión química, ofrece unas propiedades de gestión térmica ideales y constituye un excelente material de sustitución en aplicaciones relacionadas con frenos de automóviles, chalecos antibalas o herramientas eléctricas.
Producido utilizando arena de sílice mezclada con carbono (normalmente coque de petróleo) a altas temperaturas en un horno Acheson, el SiC verde y negro se produce en forma de lingotes diferenciados por grados de pureza, como el A-SiC con estructura cristalina hexagonal similar a la wurtzita, mientras que los grados metalúrgicos inferiores tienen estructuras cristalinas de zinc blenda similares al diamante.
Propiedades mecánicas
La producción moderna de carburo de silicio para su uso en las industrias abrasiva, metalúrgica y de refractarios consiste en mezclar arena de sílice finamente molida con carbono en forma de coque. A continuación, esta mezcla se introduce en un horno de resistencia eléctrica que se calienta con corriente eléctrica para producir carburo de silicio a partir de silicio y carbono; su proceso de sinterización se mejora mediante bineres sin óxido; después de lo cual la extrusión o el prensado isostático en frío pueden formar tubos a partir de él.
Se ha demostrado que las estructuras unidimensionales desordenadas (ODD) del SiC influyen significativamente en las propiedades mecánicas, como la resistencia a la tracción y la deformación elástica. Mediante ensayos de tracción in situ de NW de SiC individuales con diferentes ratios de ocupación ODD, los investigadores descubrieron que su resistencia se aproxima a su límite teórico ideal cuando el ratio supera un valor crítico; este fenómeno probablemente se deriva de la formación de microgemelos que permite la localización del cizallamiento con microplasticidad que se produce en los límites de los gemelos y, por tanto, la localización del cizallamiento y la microplasticidad en los límites de los gemelos.
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