Reciclaje de carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) se ha convertido en un material tecnológico esencial. Se utiliza en abrasivos, cerámica técnica y refractarios, así como en la fabricación de semiconductores.

El SiC, que se produce calentando arena de sílice mezclada con carbono en forma de coque de petróleo a altas temperaturas en enormes hornos abiertos “Acheson”, se fabrica después en las variantes verde y negra para su uso como material de construcción.

Abrasivo

El carburo de silicio (SiC) es un material industrial con numerosas aplicaciones en la producción de abrasivos, la fabricación de chips semiconductores y la producción de radios de cristal (véase la imagen inferior). El SiC puro es incoloro; sin embargo, las impurezas de hierro le confieren su tonalidad entre marrón y negra. Además, el SiC sirve tanto de catalizador como para hornos de alta temperatura, así que ¿qué más podría salir mal?

El corte con hilo de obleas de lingotes de silicio produce grandes volúmenes de residuos de pasta de SiC. Esta mezcla incluye SiC en polvo, responsable de la dureza y el rendimiento de corte, así como polietilenglicol (PEG), que sirve tanto de soporte como de refrigerante. Durante las operaciones de aserrado, la distribución granulométrica cambia, contaminándose con partículas de polvo; a efectos de reutilización, debe entonces purificarse antes de ser reutilizado de nuevo.

Investigadores de la Universidad Rice están desarrollando una nueva forma de reciclar los residuos de lingotes de silicio para convertirlos en un producto abrasivo eficiente desde el punto de vista energético, rentable y de alta calidad, utilizando la extracción líquido-líquido y la disolución alcalina para producir una mezcla de polvo con un contenido de SiC de 72% y silicio de 28%, que posteriormente se utilizará para moler, pulir o lijar objetos; ¡incluso puede encontrarse en aviones o molinos de viento!

Vehículos eléctricos

La electrónica de potencia es el núcleo de los vehículos eléctricos (VE) e impulsará la electrificación masiva del automóvil. El carburo de silicio (SiC) se ha convertido en un atractivo material de sustitución en los sistemas de conversión de energía, como los inversores de tracción principal para BEV y FCEV; esto permite mejorar la eficiencia energética, reducir las pérdidas por conmutación, garantizar un funcionamiento más seguro a altas temperaturas y aumentar la capacidad de tensión en sistemas más pequeños y ligeros.

El SiC se ha convertido en un material esencial en el sector de los vehículos eléctricos (VE), desde pequeños inversores hasta grandes convertidores y acumuladores. Esta área representa un inmenso potencial de crecimiento para los fabricantes de tecnología de SiC; por lo tanto, es imperativo que se mantengan al tanto de los desarrollos que podrían cambiar la demanda de su(s) producto(s).

Los nuevos vehículos eléctricos utilizan baterías de mucha mayor capacidad y exigen más potencia a sus inversores para gestionar esta carga, por lo que necesitan más MOSFET por inversor y pueden aumentar la demanda de MOSFET de carburo de silicio.

Para satisfacer esta creciente demanda, las empresas deben desarrollar una estrategia de reciclaje sólida que tenga en cuenta la dinámica del mercado, la cadena de valor y la tecnología. Las empresas que puedan desarrollar rápidamente capacidades clave y formar asociaciones que apoyen el negocio de los VE obtendrán una ventaja competitiva y crearán valor; también incluirá la revisión de los calendarios de reinversión para garantizar que no se quedan atrás en la curva de la demanda.

Semiconductor

El carburo de silicio (SiC) es un mineral industrial sintético ampliamente utilizado en numerosas industrias debido a sus excepcionales propiedades, como su dureza, resistencia a altas temperaturas y resistencia química. Mientras que la moissanita sólo se encuentra de forma natural en pequeñas cantidades en algunos meteoritos o yacimientos de corindón, la mayor parte del carburo de silicio que se produce hoy en día es sintético, ya sea en gránulos o en polvo.

Por desgracia, gran parte del material que llega a las líneas de producción acaba como subproducto de los procesos de fabricación, y muchos residuos de escoria (que contienen silicio y carbono ) suelen acabar desechados en los hornos como residuo. Hasta ahora, su única opción era la incineración o la solvólisis, que consumen mucha energía y generan subproductos peligrosos.

Los investigadores han desarrollado un proceso denominado "flash upcycling" para transformar esta escoria en carburo de silicio (SiC) de alta calidad. Calentándola a temperaturas que alcanzan los 2.400 ºC en un horno con atmósfera inerte, se obtiene carburo de silicio puro que puede utilizarse en muchas aplicaciones.

Existen procesos de separación y purificación para esta escoria, pero su capacidad para recuperar aplicaciones de alta calidad está restringida debido a las limitaciones del tamaño del grano y a problemas de rendimiento de corte; los métodos de reciclado actuales implican el downcycling o el deponierung; Fraunhofer IKTS ha creado un método asequible para reciclar productos residuales de SiC pulverulento utilizando procesos y productos sencillos pero económicos.

Médico

El carburo de silicio es una cerámica no oxidada dura y duradera con una impresionante gama de propiedades físicas y químicas, como su alta resistencia, su baja expansión térmica y su capacidad para soportar temperaturas extremas, cualidades que lo han hecho popular como material refractario, así como en componentes de electrónica de potencia para vehículos eléctricos y transmisores inalámbricos 5G. Por desgracia, los costes de producción del carburo de silicio siguen siendo relativamente caros.

El SiC es ampliamente conocido por su forma cristalizada de muy alto grado, utilizada para aplicaciones médicas como herramientas de corte e implantes quirúrgicos. Según las estimaciones, ¡su coste de producción anual podría alcanzar los $1.500 millones!

Unos investigadores han desarrollado con éxito una forma ecológica de producir carburo de silicio a partir de residuos de vidrio y plástico. Mediante un proceso de reciclado instantáneo energéticamente eficiente, han transformado plásticos reforzados con fibra de vidrio (PRFV) al final de su vida útil en carburo de silicio (SiC). El PRFV es un material abundante que se encuentra en todas partes, desde piezas de aviones hasta aspas de molinos de viento, pero sus cualidades de resistencia y durabilidad a menudo dificultan su reciclado cuando su vida útil ha llegado a su fin.

El upcycling flash es una alternativa respetuosa con el medio ambiente a la incineración y la solvolisis que utilizan productos químicos tóxicos. Además, el análisis del ciclo de vida demuestra que este sistema regenerativo produce menos consumo de energía, emisiones de gases de efecto invernadero y consumo de agua que los métodos tradicionales de eliminación de FRP.