Carburo de silicio ligado por reacción

El carburo de silicio sinterizado por reacción (RBSC) es un material cerámico excepcionalmente duro y resistente, que destaca por su resistencia mecánica, resistencia al impacto, estabilidad química y capacidad de conformado, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones.

El RB-SiC presenta una dureza inferior a la del carburo de silicio sinterizado, pero su fabricación resulta más sencilla y económica, al tiempo que ofrece una excelente resistencia a los choques térmicos.

Propiedades físicas

El proceso RMI utiliza partículas de a-SiC incorporadas en una preforma de carbono poroso (G0), antes de realizar la infiltración con silicio líquido para obtener carburo de silicio sinterizado por reacción. Sin embargo, lamentablemente, el silicio líquido puede provocar la obstrucción de los poros debido al proceso de infiltración; por ello, en este estudio se utilizó carbono multifásico como solución a este problema y para mejorar las propiedades mecánicas del RB-SiC.

El carbono multifásico estaba compuesto por negro de humo amorfo fino y carbono microsférico grueso. Al infiltrarse con silicio líquido, el carbono microsférico se consume, mientras que el carbono amorfo puede escapar de los poros para evitar que las reacciones de relleno de los poros los obstruyan; por lo tanto, al observar las muestras P10F90, P20F80 y P30F70 no se observaba el pico característico, lo que sugiere que el carbono multifásico ayudó a evitar este problema y a mejorar la resistencia a la flexión a medida que aumentaban la temperatura de infiltración y el tiempo de mantenimiento.

Propiedades mecánicas

El carburo de silicio RB se fabrica mediante la infiltración de silicio fundido en una preforma porosa de carbono o grafito, donde reacciona con el carbono para formar SiC y da lugar a un material cerámico con una resistencia excepcional al desgaste, a los impactos y a los agentes químicos, que se presenta en diversas formas y tamaños, desde simples conos y manguitos hasta piezas de ingeniería de mayor tamaño destinadas a las industrias minera y de transformación.

La composición de un precursor compuesto, especialmente su proporción de PF respecto a FA, influye en la velocidad de reacción entre el carbono y el silicio líquido durante la pirólisis a alta temperatura. El carbono multifásico mejora la penetración del silicio líquido a través de los poros de las preformas porosas; las fuentes de carbono graduadas ayudan a controlar tanto el contenido de b-SiC como el de Si libre.

La resistencia a la flexión y el módulo de elasticidad del carburo de silicio RB pueden incrementarse considerablemente mediante una selección cuidadosa de su fuente de carbono, gracias a la eliminación de las superficies lisas de los granos en bloques blancos y negros que provocan la fractura intergranular durante la flexión.

Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas de las cerámicas de carburo de silicio unidas por reacción dependen de su tipo y de la proporción de ligante. El carburo de silicio unido por reacción (RBSC), impregnado con partículas de silicio metálico, se infiltra en preformas de carbono o grafito que no se contraen durante este proceso; de este modo, se pueden fabricar piezas con dimensiones muy precisas.

Tras la infiltración con RBSC, se somete a un proceso de nitruración a altas temperaturas. Esto transforma el silicio metálico en nitruro de SiC y rellena los poros restantes con material de red de carburo de silicio. El análisis por difracción de rayos X (XRD) muestra que esta forma contiene diamante, a-SiC, b-SiC, Si y SiO₂, mientras que el microscopio electrónico de barrido (SEM) revela capas de grafito, así como carbono amorfo.

Debido a la presencia de una capa de grafito, el RBSC presenta valores de k inferiores a los del SiC sinterizado, aunque superó con creces a los del NSIC. Además, superó con creces a las cerámicas a base de SiO₂ en cuanto a resistencia a la corrosión, resistencia a las altas temperaturas, resistencia al choque térmico y capacidad de absorción del choque térmico.

Propiedades eléctricas

El carburo de silicio sinterizado por reacción ofrece excelentes propiedades eléctricas, como una baja resistencia específica y una alta conductividad térmica. Estas características lo convierten en una excelente opción como material para elementos calefactores eléctricos. Además, su inercia química y su resistencia a la oxidación lo hacen adecuado para termopares de hornos, puntas de quemadores, ladrillos de control y muflas en hornos; su superior resistencia al choque térmico también lo hace adecuado como revestimiento en hornos.

El SiC sinterizado por reacción se puede obtener mediante un proceso que consiste en mezclar en una proporción íntima y finamente dividida SiC y carbono con un plastificante, para a continuación darle forma y eliminar el plastificante mediante calcinación, antes de infiltrarlo con silicio líquido o gaseoso. Esta reacción permite que el silicio se una al carbono para producir más carburo de silicio, que a su vez reacciona con el carburo de silicio original para formar un compuesto compuesto por a-SiC, b-SiC y Si residual.

En el momento de la infiltración, se afirma que los gránulos de a-SiC y el b-SiC formados durante la reacción se dispersan uniformemente por toda la preforma porosa sin formar grumos, lo que probablemente se deba a que los canales capilares no quedan obstruidos por las partículas de b-SiC recién formadas.