¿Qué es el carburo de silicio?

El carburo de silicio es un material extremadamente duro y resistente con una alta densidad, una excepcional resistencia a la corrosión y excelentes propiedades tribológicas. Disponible tanto en forma sinterizada como aglomerada por reacción.

La sinterización sin presión proporciona una alta densificación a través de la reducción de la energía superficial de los granos debido a la reacción del boro y el carbono1, pero su alta temperatura conduce a un crecimiento excesivo de los granos que compromete las propiedades mecánicas.

Fuerza

El carburo de silicio, comúnmente conocido como carborundo, es un compuesto químico duro formado por silicio y carbono que se encuentra de forma natural en minerales raros como la moissanita; sin embargo, lo más habitual es que se produzca en masa en forma de polvo y gránulos para su uso como abrasivo y placas cerámicas en chalecos antibalas. El carborundo soporta altas temperaturas y es resistente a los productos químicos, incluidos los ácidos fosfórico, sulfúrico y nítrico.

El carburo de silicio sinterizado ha encontrado una amplia aplicación en todos los sectores, desde el aeroespacial hasta el astronómico, debido a sus notables propiedades de aislamiento térmico. El material refractario de carburo de silicio sinterizado también presenta una durabilidad impresionante y puede mecanizarse con precisión utilizando equipos costosos para obtener tolerancias de precisión.

La cerámica de carburo de silicio se presenta en dos variedades: aglomerada reactivamente y sinterizada. El carburo de silicio aglomerado por reacción se fabrica infiltrando compactos compuestos de SiC y carbono con silicio líquido, creando más SiC que se adhiere a las partículas iniciales formando más partículas de carburo de silicio aglomerado por reacción que se adhieren más fácilmente que sus homólogos sinterizados, aunque sigue siendo rentable debido a su menor resistencia y dureza.

El carburo de silicio sinterizado se produce calentando materias primas a temperaturas extremadamente altas en una atmósfera inerte, transformándolas en un material extremadamente resistente que puede utilizarse en diversas aplicaciones, como piezas de desgaste para bombas de arena y ciclones de minería. Además, presenta una excelente resistencia a la corrosión, así como propiedades de baja expansión térmica.

Dureza

El carburo de silicio aglomerado por reacción (RSiC) se produce prensando y sinterizando (calentando) partículas de polvo entre sí, lo que crea una pieza sólida de material de gran resistencia, dureza y resistencia a la corrosión y la oxidación, aunque no tan dura como el carburo de silicio sinterizado.

El carburo de silicio sinterizado es una cerámica técnica con fuertes enlaces covalentes, que proporciona excelentes propiedades mecánicas a altas temperaturas. Este material presenta una gran dureza y resistencia al desgaste, así como resistencia a la corrosión química, la oxidación y el choque térmico, junto con una muy buena conductividad térmica, lo que lo hace adecuado para su uso en entornos difíciles.

El sinterizado en fase líquida produce materiales de gran pureza con una microestructura uniforme, más compacta que los procesos de sinterizado en estado sólido. Los cambios de tamaño durante la densificación son mínimos; pueden fabricarse piezas precisas con formas complejas. Los aditivos de sinterización de boro y carbono pueden modificar las energías de los límites de grano y las energías superficiales, al tiempo que mejoran las velocidades de difusión de volumen y limitan la formación de vidrio entre los granos.

Los resultados de la sinterización en estado sólido presentan una resistencia a la fluencia por compresión superior a la de sus homólogos convencionales debido a un aumento de la energía cinética del silicio cristalino y a la aceleración del movimiento de dislocación dentro de las regiones granulares, así como a un aumento de la concentración de silicio metálico que ayuda a disminuir las tasas de fluencia al ralentizar la difusión del SiC a través de los límites de grano.

Resistencia a la corrosión

El carburo de silicio ofrece una excelente resistencia a la corrosión, la oxidación y el desgaste, cualidades que lo convierten en un material idóneo para entornos difíciles en los que otros materiales podrían estropearse con el tiempo. Además, el carburo de silicio puede soportar temperaturas de hasta 1.900 grados centígrados, lo que lo hace adecuado para procesos químicos en los que los equipos pueden entrar en contacto con productos químicos muy ácidos y gases que se corroen más fácilmente de lo esperado.

Se ha comprobado que tanto la cerámica de carburo de silicio sinterizado en estado sólido (SSiC) como la de carburo de silicio infiltrado son estables en diversas soluciones químicas, aunque esta última presenta una menor estabilidad a la corrosión debido al silicio libre. Para explorar estos mecanismos, llevamos a cabo experimentos de corrosión a corto y largo plazo en SiSiC en solución de NaOH utilizando tanto medidas precisas de la profundidad de corrosión en superficies pulidas como microscopía electrónica de barrido en sus productos de corrosión.

El carburo de silicio ligado por reacción (RBSiC) se produce infiltrando silicio líquido en preformas porosas de carbono o grafito y haciéndolo reaccionar hasta convertirse en SiC. El RBSiC difiere de su homólogo SSiC, más caro, en varios aspectos; por un lado, tiene menor resistencia y dureza, pero cuesta bastante menos producirlo y es más permeable al paso de gases y líquidos; también presenta una buena resistencia a la abrasión, la corrosión y el choque térmico que permite su uso en aplicaciones como boquillas de quemadores o tubos de chorro y llama; por último, también presenta una buena resistencia al choque térmico que permite cambios rápidos de temperatura sin verse afectado.

Conductividad térmica

El carburo de silicio sinterizado presenta una de las conductividades térmicas más elevadas entre los materiales cerámicos sin óxido, lo que lo hace idóneo para aplicaciones que implican altas temperaturas, como las aplicaciones de carburo de silicio por deposición química de vapor (CVD) o de carburo de silicio aglomerado por reacción.

Situada cerca del núcleo, su estructura cristalina ayuda a aumentar la conductividad térmica para obtener una cerámica de alto rendimiento térmico. Capaz de soportar cargas de alta temperatura con pocos daños y resistencia a la corrosión, la oxidación y la fatiga, este material es una excelente elección para aplicaciones de sellado de bombas, ya que puede permanecer resistente a la presión y la temperatura durante periodos prolongados.

Este tipo de cerámica también presenta una tenacidad superior, lo que significa que puede soportar impactos y vibraciones mejor que otros materiales cerámicos. Además, su solidez y resistencia a la oxidación se encuentran entre las más altas de su categoría.

La sinterización en fase líquida (LPS) es una técnica innovadora de densificación del carburo de silicio que utiliza aditivos de sinterización de óxido eutéctico para densificar a temperaturas más bajas que las tradicionales, lo que permite ahorrar costes de producción y, al mismo tiempo, reducir la porosidad del producto acabado.

Las imágenes HRTEM de muestras de LPS-SiC con diferentes aditivos de sinterización demuestran cómo el aumento de la adición de aditivos iguala la distribución de la fase líquida entre los granos de SiC, lo que conduce a la densificación, a una mayor densidad relativa y a la mejora de la resistividad eléctrica, que son propiedades críticas para aplicaciones que utilizan frecuencias de microondas y ondas milimétricas.