Fórmula del carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto sintético extremadamente duro de silicio y carbono que se encuentra de forma natural en la gema moissanita y, en menor medida, en meteoritos de condrita carbonácea.

Producido mediante la fusión de arena de sílice y coque a altas temperaturas en un horno eléctrico, el cuarzo existe en al menos 70 formas cristalinas diferentes; la forma alfa con estructura cristalina hexagonal similar a la wurtzita es la más frecuente.

Propiedades físicas

El carburo de silicio, más comúnmente conocido como carborundo, es un compuesto cerámico no oxidado con propiedades excepcionales de dureza y resistencia química que sólo es superado por el diamante. Además, el carburo de silicio en estado puro resiste la oxidación a temperaturas más elevadas para ofrecer una conductividad eléctrica y una conductividad más fiables.

Calentar arena de sílice con carbono en un horno eléctrico para producir SiC. El material cristalino producido, de color verde a negro azulado, puede separarse en grados con diferentes propiedades físicas: por ejemplo, el grado metalúrgico A tiene capas gruesas, mientras que los cristales más lisos del grado b forman estructuras más suaves.

Estos politípos de estructuras estratificadas presentan propiedades eléctricas, ópticas y térmicas distintivas. Sus enlaces atómicos consisten en cuatro átomos de silicio unidos a cuatro átomos de carbono en un patrón cuadrado irregular que forma cuatro cristales hexagonales; esto proporciona propiedades semiconductoras de banda prohibida ancha. La extrusión o el prensado isostático en frío pueden dar forma a estos materiales en barras o tubos para su uso como varillas y tubos.

Propiedades químicas

El carburo de silicio (SiC), más conocido como carborundo, es un resistente compuesto químico de silicio y carbono con propiedades semiconductoras de banda ancha. De naturaleza refractaria, el SiC también es conocido por su alta conductividad térmica y sus propiedades de baja expansión térmica, que le confieren una gran resistencia a los choques térmicos.

El carburo de silicio cristalino cristaliza en una estructura compacta con cuatro átomos de silicio y cuatro átomos de carbono unidos en coordinación tetraédrica, y tiene más de 70 poliotipos; el carburo de silicio alfa se encuentra con mayor frecuencia a temperaturas superiores a 2000 ºC con una estructura cristalina hexagonal similar a la wurtzita. Mientras tanto, la modificación beta con estructura cristalina de zincblenda similar al diamante y la formación de esfalerita se produce a temperaturas más bajas.

El carborundo es una sustancia extremadamente rara en la naturaleza, pero un elemento básico en los meteoritos ricos en carbono del espacio. Sintetizado artificialmente por primera vez en 1891 por Edward Acheson como parte de su trabajo de producción de diamantes artificiales, el material se descubrió finalmente de forma natural en el meteorito Canyon Diablo de Arizona en 1893 y recibió el nombre de moissanita en honor al premio Nobel Henri Moissan.

Propiedades mecánicas

El carburo de silicio tiene una superficie extremadamente dura, con una clasificación de 9 en la escala de Mohs, lo que lo convierte en la cerámica no oxidada más dura y en uno de los materiales más duros en general. Es un material excelente para aplicaciones de desgaste mecánico, como abrasivos y refractarios, y posee buenas propiedades térmicas para resistir altas temperaturas y choques térmicos.

El silicio sustituye a la mitad de los átomos de carbono, lo que mejora las propiedades de conducción del calor debido a la similitud del radio atómico entre el silicio y el carbono, lo que ayuda a reducir la dispersión de fonones.

El carburo de silicio se presenta en forma de cristales iridiscentes de color amarillo a verde a negro azulado que se subliman con la descomposición a 2700degC. Aunque es insoluble en agua, el carburo de silicio es soluble en álcalis fundidos como NaOH y KOH, así como en hierro fundido, y su módulo de Young y su dureza vienen determinados por la textura, las fallas de apilamiento, el tamaño del grano y la naturaleza de sus límites granulares.

Propiedades eléctricas

La amplia energía de banda prohibida del carburo de silicio le permite soportar temperaturas y tensiones más altas que el silicio, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren dispositivos electrónicos rápidos pero fiables. Además, su capacidad para soportar tanta tensión es inestimable en los sistemas de baterías de vehículos eléctricos que reducen tanto el tamaño como el peso al eliminar por completo los inversores.

El SiC es un material popular por su combinación de propiedades cerámicas y semiconductoras, que contribuye al avance de la tecnología electrónica. Además, su dureza, resistencia, baja dilatación térmica y resistencia a las reacciones químicas han contribuido a aumentar su popularidad.

El carburo de silicio se crea calentando arena de sílice pura con carbono en un horno eléctrico, creando lingotes de grados metalúrgicos y abrasivos conocidos como a-SiC y b-SiC según la calidad y el uso previsto. Una vez formados los lingotes, se cortan en diferentes tamaños y formas en función de las aplicaciones deseadas antes de mezclarlos con elementos adicionales como aluminio o nitrógeno para obtener las características deseadas.