Propiedades del carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) es un material extremadamente duradero, con una dureza de 9 en la escala de Mohs —lo que lo convierte en un material extremadamente duro— y un atractivo estético que rivaliza con el del diamante.

EAG Laboratories cuenta con una amplia experiencia en el análisis de estas propiedades del SiC mediante técnicas analíticas tanto globales como de resolución espacial. El SiC puede actuar tanto como aislante eléctrico como semiconductor.

Dureza

El carburo de silicio es una de las sustancias más duras del mundo; ocupa el noveno puesto en la escala de Mohs y solo es superado por el diamante en cuanto a dureza. El carburo de boro y el diamante son incluso más duros que el carburo de silicio; entre sus otros usos se incluyen las herramientas de corte, los chalecos antibalas, las piezas de automóvil y los espejos para telescopios astronómicos. La superficie dura y resistente del carburo de silicio es ideal para su uso como abrasivos y herramientas de corte, materiales estructurales (chalecos antibalas), piezas de automóvil y espejos para telescopios.

La cerámica resistente al choque térmico es una cerámica no óxida extremadamente dura. Gracias a su resistencia, su elevada conductividad térmica, su bajo coeficiente de dilatación térmica y su excelente resistencia a la oxidación, se convierte en un material refractario indispensable.

El carburo de silicio (número atómico 14) y el carbono (número atómico 6) forman un compuesto inorgánico conocido como carburo de silicio, con dos tetraedros de coordinación primarios formados por cuatro átomos de carbono y cuatro de silicio unidos covalentemente entre sí, lo que crea una estructura compacta excepcionalmente fuerte y rígida con una resistencia y rigidez superiores; sus politipos pueden incluso apilarse para formar otros politipos. El carburo de silicio presenta propiedades de semiconductor de banda ancha, lo que hace que se necesite tres veces menos energía para liberar electrones de los estados orbitales en comparación con el silicio.

Resistencia a la corrosión

La propiedad más importante del carburo de silicio es su resistencia a la corrosión. No solo es resistente a los ácidos (clorhídrico, sulfúrico y fluorhídrico), bases y disolventes más agresivos que se puedan imaginar —así como a medios oxidantes como el ácido nítrico o el vapor—, sino que además cuenta con excelentes propiedades aislantes frente a los daños causados por temperaturas extremas o campos eléctricos.

El carburo de silicio sinterizado ofrece una excelente resistencia térmica gracias a su alta densidad, su dureza, sus características de semiconductor de banda prohibida ancha —que permiten un menor consumo de energía de los electrones para el desplazamiento de la banda de conducción— y su bajo coeficiente de expansión térmica.

La resistencia a la corrosión también puede mejorarse mediante la presencia de aditivos de sinterización, fases en los límites de grano y porosidad; su tipo y cantidad dependen de la rapidez con la que la corrosión reacciona con otros entornos.

Los estados de oxidación del carburo de silicio pueden controlarse gracias a la acción del carbono como agente pasivante, lo que contribuye a reducir las tasas de corrosión y a prolongar la vida útil del producto cuando se expone a entornos oxidantes durante su uso.

Conductividad térmica

El carburo de silicio es un material extremadamente duro, que se sitúa entre la alúmina (9 en la escala de Mohs) y el diamante (10). Gracias a su combinación de dureza y estabilidad térmica, el carburo de silicio es una excelente opción para aplicaciones mecánicas exigentes en piezas diseñadas para soportar materiales resistentes al desgaste, así como materiales refractarios.

Además, gracias a su excelente resistencia al choque térmico y a su bajo coeficiente de expansión térmica, el caucho de silicona resulta muy adecuado para su uso en entornos de alta temperatura y en componentes de sistemas de tuberías.

El carburo de silicio puede doparse con diversos elementos para modificar sus propiedades electrónicas. Si se dopa con nitrógeno o fósforo, se convierte en un semiconductor de tipo n, mientras que si se dopa con berilio, boro o aluminio, se convierte en un semiconductor de tipo p.

La diferencia en la banda prohibida del carburo de silicio entre sus bandas de valencia y de conducción hace que a los electrones les resulte más difícil pasar de una banda a otra, lo que le permite soportar campos eléctricos hasta 10 veces más intensos que el silicio antes de volverse frágil y fallar.

Conductividad eléctrica

El carburo de silicio presenta una serie de propiedades eléctricas que pueden adaptarse mediante el dopaje. El dopaje consiste en añadir impurezas a su estructura cristalina con el fin de generar electrones libres y huecos que conduzcan la electricidad, lo que confiere al SiC unos valores de conductividad diez veces superiores a los del silicio.

Las propiedades eléctricas del carburo de silicio vienen determinadas en gran medida por su banda prohibida. Esta diferencia entre los niveles de energía de la banda de valencia y la banda de conducción de un átomo determina la intensidad del campo eléctrico que puede soportar; el carburo de silicio presenta una banda prohibida más amplia que la del silicio, lo que le permite tolerar casi el doble de tensión.

Su resistencia a la alta tensión hace que el neodimio sea ideal para su uso en dispositivos de potencia de vehículos eléctricos, lo que permite alcanzar mayores distancias de conducción y una mayor eficiencia en la gestión de la batería. Además, su menor peso en comparación con alternativas como el nitruro de galio permite a los fabricantes de electrónica de potencia reducir considerablemente el tamaño y el peso, al tiempo que soporta altas temperaturas con un coeficiente de expansión térmica mínimo.