El mercado de la fibra de carburo de silicio

Según su forma, el mercado de la fibra de carburo de silicio puede dividirse en productos de fibra de carburo de silicio continua y tejida. El aumento de la producción industrial en los sectores aeroespacial y de defensa y el uso de fibra de carburo de silicio continua por parte de la industria energética para crear reactores nucleares son los principales impulsores.

Resistente a altas temperaturas

La resistencia a altas temperaturas de la fibra de carburo de silicio la convierte en un excelente material de refuerzo para metales y plásticos, produciendo compuestos con una gran resistencia a la tracción y un elevado módulo de elasticidad. Por otra parte, los electrodos de fibra de carburo de silicio se utilizan ampliamente en hornos y cocinas de inducción como fuente de calor industrial; además, puede doparse con dopantes de nitrógeno, fósforo, aluminio o galio para producir semiconductores de tipo n y de tipo p.

El carburo de silicio resiste bien las altas temperaturas al tiempo que es químicamente estable y dimensionalmente estable, lo que lo convierte en un material excelente para soportes de bandejas de obleas y paletas en hornos de semiconductores, así como para revestimientos de hornos, placas de desgaste y tubos de revestimiento en plantas de fabricación de productos electrónicos.

La construcción de instalaciones nucleares tanto en países desarrollados como en vías de desarrollo avanza con rapidez, lo que podría aumentar la demanda de componentes de energía y potencia que contengan materiales aislantes de fibra de carburo de silicio, como los reactores de potencia que los utilizan ampliamente como material aislante.

Los métodos para producir fibras de carburo de silicio resistentes a altas temperaturas constan de tres pasos: obtención de fibras precursoras mediante hilatura por fusión de policarbosilano, inmersión de estas fibras precursoras en monómeros de reacción para su tratamiento de remojo y curado con el fin de lograr una relación ideal entre el grosor de la capa de reticulación y el diámetro de la fibra de 0,1-0,99 y, por último, craqueo bajo gas inerte para obtener fibras de SiC que ofrecen una excelente resistencia a la temperatura, así como costes de fabricación reducidos y propiedades de flexión adecuadas. Los productos finales poseen una excelente resistencia a altas temperaturas, bajos costes de fabricación y buenas propiedades de flexión para sus aplicaciones.

Material de refuerzo

La fibra de carburo de silicio se utiliza como material de refuerzo en compuestos de matriz cerámica (CMC). Sus propiedades la hacen adecuada para su uso en muchas aplicaciones de la industria energética, como centrales eléctricas de carbón y reactores nucleares, así como en cortinas y correas resistentes al calor. La resistencia de la fibra de carburo de silicio a las altas temperaturas y su durabilidad la convierten en una excelente opción como ingrediente de materiales de refuerzo de CMC, como cortinas o cinturones de resistencia térmica.

Desde 2008, se han logrado avances significativos en las técnicas de fabricación de fibras de carburo de silicio, lo que ha dado lugar a fibras de pequeño diámetro casi estequiométricas con propiedades adecuadas para la mayoría de los compuestos de matriz cerámica (CMC) y las aplicaciones nucleares. Por desgracia, los costes de fabricación siguen limitando su uso.

La demanda de fibra de carburo de silicio en Norteamérica está aumentando rápidamente con la expansión de las industrias aeroespacial y militar, impulsada por la fuerte demanda de aviones comerciales, así como por el aumento del gasto en defensa en la región. El aumento del gasto debería impulsar el incremento de los compuestos híbridos de matriz metálica de aluminio reforzados con fibra de carburo de silicio.

El mercado mundial de fibra de carburo de silicio puede dividirse por forma y aplicación. Las fibras continuas de carburo de silicio tuvieron la mayor cuota de mercado en 2023 y se prevé que experimenten un crecimiento anual compuesto a una tasa anual compuesta prevista de 35,9% entre 2024 y 2030. Estas fibras fáciles de trabajar pueden integrarse fácilmente en componentes de formas complejas, mientras que su naturaleza resistente a la radiación atrae la atención de las industrias de generación de energía nuclear.

Materiales compuestos de matriz metálica

La fibra de carburo de silicio puede ayudar a los motores de los aviones a reducir peso y costes al disminuir el uso de materiales que soportan peso. Pero su producción presenta sus propios retos, como ser capaz de soportar altas temperaturas sin agrietarse, así como propiedades de resistencia a la corrosión y a la fatiga en sus materiales.

Una opción para mejorar los materiales compuestos sería la creación de nuevos metales que proporcionen mejores combinaciones entre los materiales de refuerzo y los metales de refuerzo, lo que daría lugar a materiales compuestos más resistentes y duraderos. Otra posibilidad sería utilizar matrices cerámicas que aligeren los materiales compuestos y al mismo tiempo permitan moldear las fibras de distintas formas.

Los compuestos de matriz de aluminio reforzados con fibra de boro que se producen para los componentes de los motores a reacción tienen la ventaja de ser dos veces más fuertes y más resistentes al calor que las aleaciones con base de níquel, pero su producción cuesta unos $100 menos por libra, lo que representa una mejora significativa con respecto a las aleaciones de níquel convencionales que actualmente son estándar en la mayoría de los componentes aeronáuticos.

Para crear compuestos de matriz metálica reforzados con boro, las fibras de carburo de silicio deben recubrirse primero con metal para mejorar su humectabilidad con el metal matriz y apilarse y calentarse a presión antes de rellenarse entre cada pila utilizando polvo de metal matriz mezclado con un aglutinante orgánico.

Aplicaciones

La fibra de carburo de silicio es una forma de material refractario que se utiliza en múltiples aplicaciones, como materiales resistentes al calor para motores a reacción y compuestos de matriz cerámica, material de refuerzo para correas y telas filtrantes de alta temperatura, filtrado de gases o metales a alta temperatura a través de filtros de tela filtrante y componente clave en compuestos de matriz metálica reforzados con carburo de silicio, aplicaciones que deberían contribuir significativamente al crecimiento de los ingresos dentro del mercado.

En 2024, la fibra de carburo de silicio tejida dominará probablemente el mercado mundial debido a sus propiedades mecánicas superiores y a su flexibilidad de fabricación. La fibra de carburo de silicio tejida se puede tejer fácilmente en diferentes estructuras, como mangueras, tubos o bolsas, y presenta una excelente resistencia al desgaste, lo que la convierte en la mejor opción para piezas de automoción.

La fibra de carburo de silicio puede superar a las superaleaciones tradicionales a base de níquel al ser dos veces más fuerte y 20% más ligera, con una estabilidad química, durabilidad química, resistencia al calor, conductividad térmica y durabilidad mejoradas. Además, la estructura cristalina del SiC puede soportar mayores niveles de tensión de tracción sin deformarse ni romperse.

American Elements ofrece en EE.UU. una impresionante gama de materiales avanzados para uso aeroespacial y electrónico. Entre ellos se encuentran las fibras de SiC de Sylramic, producidas por COI Ceramics Inc y empaquetadas en bobinas de cartón de 3 pulgadas; pueden tejerse o pegarse según las peticiones individuales de los clientes en múltiples patrones de tejido; además, vienen en múltiples tamaños y longitudes para una flexibilidad definitiva.