Estructura y aplicaciones del carburo de silicio

El carburo de silicio, o SiC, es un material extremadamente resistente y duradero con unas propiedades eléctricas únicas.

El carbono cristalino puede encontrarse cristalizando en estructuras densamente empaquetadas que están enlazadas covalentemente entre sí. Sus átomos forman dos tetraedros de coordinación primaria con cuatro átomos de carbono y cuatro átomos de silicio en cada esquina que se enlazan a través de sus esquinas para formar estructuras de tipo polo denominadas polimorfos.

Propiedades físicas

El carburo de silicio es un material extremadamente duro con una dureza Mohs entre 9 y 10, entre la alúmina y el diamante. El carburo de silicio se utiliza ampliamente como material abrasivo en la lapidaria moderna, en operaciones de rectificado y mecanizado, como revestimiento refractario para hornos industriales, herramientas de corte, piezas resistentes al desgaste de bombas y motores de cohetes, así como cinta de agarre resistente al desgaste en monopatines y en el grabado con carborundo, el proceso de aplicar grano de carborundo a una placa de aluminio y luego imprimir sobre papel utilizando prensas de lecho rodante (Mountain).

Los policarbonatos sintéticos pueden producirse sintéticamente mediante procesos de unión por reacción o de sinterización, siendo este último mejorado mediante la adición de carbono 0,5% o boro 0,5% como ayuda a la sinterización, para evitar la difusión superficial y modificar la energía del límite de grano (Montaña).

El SiC es una cerámica industrial impresionante con diversas propiedades mecánicas que lo hacen inestimable en diversos entornos industriales. Gracias a su alta conductividad térmica y sus bajos índices de dilatación térmica, su uso en electrónica de potencia para sistemas de propulsión de vehículos eléctricos terrestres es ahora más frecuente que nunca. Además, las características eléctricas del SiC también podrían sustituir a los semiconductores de silicio tradicionales en aplicaciones de mayor tensión, como los inversores de tracción para vehículos eléctricos y los convertidores CC/CC para estaciones de carga.

Propiedades químicas

El carburo de silicio puede doparse con nitrógeno y fósforo para formar semiconductores de tipo n, mientras que el berilio, el boro, el aluminio y el galio pueden doparse en él para fabricar semiconductores de tipo p. Debido a su estructura simétrica y compacta, el carburo de silicio constituye una plataforma ideal para el dopaje.

El material refractario es duro, quebradizo y conductor térmico. Puede soportar altas temperaturas y tensiones, mientras que su bajo coeficiente de dilatación térmica ofrece ventajas cuando se utiliza en aplicaciones sujetas a variaciones de temperatura.

Aunque la moissanita natural (Csi3SiO6) puede encontrarse en meteoritos y kimberlita, la mayor parte del carburo de silicio que se vende hoy en día es sintético. Es químicamente inerte, ya que resiste la corrosión de los ácidos orgánicos y los álcalis, a excepción de los ácidos fluorhídrico y sulfúrico; insoluble en agua u otros disolventes, pero soluble en álcalis fundidos como NaOH o KOH.

Propiedades eléctricas

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor, situado entre los metales (que conducen la electricidad) y los aislantes (que no lo hacen). Las propiedades eléctricas del SiC dependen de la temperatura y de las impurezas de su composición: a bajas temperaturas actúa como un aislante, mientras que a temperaturas más altas su conductividad se hace notable. La conductividad del SiC puede mejorarse añadiendo impurezas de aluminio, boro o galio, que aumentan los portadores de carga libres y convierten el SiC en un semiconductor de tipo P.

La combinación de propiedades físicas y químicas de la arcilla la convierten en un material atractivo en diversas industrias, desde placas cerámicas que aumentan la resistencia a la abrasión y la fuerza de frenado, hasta su alta conductividad térmica y bajo coeficiente de dilatación, que permiten utilizarla en aplicaciones de alta temperatura.

Además, su exclusivo bandgap le permite funcionar a voltajes y frecuencias más altos que la electrónica tradicional basada en el silicio, lo que lo convierte en el material perfecto para dispositivos de potencia como diodos, transistores y tiristores.

Propiedades térmicas

El carburo de silicio (SiC) es una cerámica inorgánica con propiedades térmicas superiores, lo que lo hace adecuado para muchas aplicaciones diferentes. El carburo de silicio se utiliza en aplicaciones que van desde piezas resistentes al desgaste y abrasivos debido a su dureza; en refractarios y cerámicas debido a su resistencia al calor y baja expansión térmica; así como en electrónica donde su capacidad para conducir la electricidad bajo temperaturas extremas.

El SiC es un conductor térmico eficaz debido a su estructura cristalina cúbica de diamante con la mitad de los átomos sustituidos por silicio, lo que proporciona una conductividad térmica superior. El SiC presenta un intervalo de bandas eficiente que permite a los electrones moverse fácilmente entre sus bandas de valencia y conducción, en comparación con los aislantes, que requieren cantidades excesivas de energía para que los electrones crucen este intervalo entre sus bandas.

La estructura cristalina del SiC puede adoptar diversas formas, conocidas como poliotipos. Cada polipo consiste en capas apiladas en secuencias de apilamiento específicas que dan lugar a disposiciones atómicas únicas, lo que confiere al SiC un calor específico extremadamente alto y un coeficiente de expansión térmica bajo.