Exploración de la durabilidad del carburo de silicio en entornos agresivos

El carburo de silicio es un compuesto resistente formado por la reacción química a alta temperatura entre el silicio y el carbono, con una estructura cristalina extremadamente duradera que lo hace adecuado para su uso en entornos difíciles.

El carburo de silicio requiere estrictos controles de calidad durante su proceso de producción para garantizar su longevidad en entornos de trabajo difíciles. Analizaremos qué factores influyen en su longevidad.

Resistencia a la corrosión

El carburo de silicio (SiC) es un material extremadamente duro y denso compuesto por diferentes formas o politípos de estructura cristalina de carburo de silicio con átomos de carbono dispuestos tetraédricamente para formar sus capas o politípos, produciendo estructuras con átomos de carbono dispuestos enlaces tetraédricos entre átomos de carbono dispuestos como capas o politípos que crean sus cualidades únicas de resistencia a la corrosión. El carburo de silicio sinterizado sin presión (C/C-SiC) resiste a todos los ácidos (clorhídrico y sulfúrico), disolventes de bases y entornos oxidantes como el ácido nítrico, siendo lo suficientemente resistente a la corrosión como para que los crisoles sólidos fabricados con C/C-SiC se empleen con frecuencia como revestimiento de hornos.

La corrosión de los materiales de SiC puede ser extremadamente compleja y depender de múltiples factores. La resistencia a la corrosión de los materiales depende de su grosor y de la profundidad de la capa de óxido que se desarrolla durante los procesos de oxidación; además, los mecanismos químicos y físicos responsables de producir la famosa tasa de oxidación parabólica siguen sin comprenderse del todo.

Los ensayos de corrosión a largo plazo son necesarios para evaluar el efecto de los entornos corrosivos en la resistencia de los materiales. La corrosión a largo plazo puede aumentar los defectos superficiales que disminuyen la resistencia y la durabilidad de los materiales con el paso del tiempo.

Elkem llevó a cabo exhaustivos análisis de sensibilidad a la corrosión de cuatro tipos de uniones de placas de SiC con SiC unidas mediante adhesión por difusión metálica con una capa intermedia de molibdeno o titanio, sinterización por reacción y sinterización de nanopolvo de SiC. Todas las muestras soportaron pruebas hidrotérmicas de cinco semanas a temperatura elevada sin contaminación por radiación durante las pruebas hidrotérmicas de cinco semanas a temperatura elevada.

Resistencia a la dilatación térmica

El carburo de silicio (SiC) es un material sintético extremadamente duro, situado en algún punto de la escala de Mohs entre la alúmina (9), con una media de 9, y el diamante (10 de media). El SiC se utiliza como abrasivo y pieza resistente al desgaste en aplicaciones mecánicas; para revestimientos refractarios de hornos industriales y cerámicas; como revestimiento refractario en depósitos de combustible de aviones; como revestimiento refractario en hornos utilizados por la industria; y dispositivos electrónicos semiconductores que funcionan a altas temperaturas.

El carburo de silicio es un extraordinario material cerámico termomecánico con un bajo coeficiente de dilatación térmica, lo que le permite mantener su forma y tamaño durante las rápidas fluctuaciones de temperatura y hacer más fiables los productos que funcionan en entornos extremos.

El carburo de silicio posee unas propiedades mecánicas excepcionales y una gran conductividad térmica con una amplia gama de temperaturas de funcionamiento, además de ser muy resistente a la corrosión y a los ataques químicos, lo que lo hace idóneo para aplicaciones en entornos difíciles en industrias como la automovilística, la aeroespacial y la electrónica.

Este libro presenta la tecnología de microsistemas basada en el carburo de silicio (SiC) tanto en capa gruesa como en capa fina, y aborda su auge como plataforma esencial para microsistemas en entornos hostiles al combinar la fabricación de dispositivos electrónicos con dispositivos MEMS mecánicos. En este libro también se investigan las dificultades inherentes a la combinación de diversos procesos y materiales en módulos de sensores utilizables; en particular, se exploran ampliamente los desajustes de temperatura entre los componentes, así como las sensibilidades ambientales del SiC, al tiempo que se analiza ampliamente el estado del arte tanto en la tecnología de SiC de material a granel como en las tecnologías de SiC de película delgada.

Resistencia al desgaste

El carburo de wolframio (WC) es una aleación importante y versátil utilizada en múltiples aplicaciones, que se caracteriza por su extrema dureza, alta conductividad, baja expansión térmica y resistencia a la corrosión. El carburo de wolframio se crea al mezclar polvo de wolframio puro con otros metales, como carbono, níquel o cobalto, mediante un proceso denominado sinterización; una vez conformado, se le dan formas para usos específicos mediante prensado y forja, más comúnmente herramientas de corte. La extrema durabilidad del tungsteno va mucho más allá que la de otros metales utilizados para herramientas de corte; además, suele ser utilizado por unidades militares que emplean una táctica de ataque denominada bombardeo cinético, en la que las balas disparadas directamente contra los enemigos atraviesan la protección del blindaje y penetran en las defensas enemigas.

El carburo de wolframio (WC) se utiliza ampliamente en ingeniería de precisión debido a su capacidad para soportar velocidades y presiones muy elevadas, y presenta el módulo de Young más alto, la superficie más dura, el índice de expansión térmica más bajo y la mejor resistencia al desgaste de todos los metales. Además, la gran ductilidad del WC permite moldearlo en varillas o extruirlo en forma de alambre, como en las bombillas incandescentes.

El carburo de tungsteno es notoriamente frágil y susceptible de agrietarse o romperse bajo fuertes impactos, por lo que es más propenso a sufrir impactos que metales preciosos como el oro y el platino. Sin embargo, sigue siendo muy utilizado en aplicaciones militares en las que la resistencia a los impactos es vital, como en las instalaciones de pruebas de cráteres de la NCSU, donde se utilizan discos amortiguadores de carburo de tungsteno para absorber los impactos de proyectiles.

Conductividad eléctrica

La combinación única de propiedades cerámicas y semiconductoras del carburo de silicio lo convierten en un material muy adaptable, apto para usos industriales y electrónicos. Gracias a estas propiedades, la electrónica de carburo de silicio puede funcionar incluso en entornos adversos con altas temperaturas y niveles de tensión que normalmente descalificarían a otros componentes electrónicos para funcionar correctamente.

Desde el punto de vista químico, el carburo de silicio es un material increíblemente estable. Resiste a la mayoría de los ácidos (clorhídrico, sulfúrico y fluorhídrico), sales y álcalis, con la excepción del ácido sulfúrico concentrado; además, no reacciona con el agua, lo que lo convierte en un material ideal para componentes que requieren una exposición prolongada a líquidos.

El carburo de silicio ofrece excelentes propiedades eléctricas gracias a su estructura atómica. Cristaliza en estructuras muy juntas que contienen capas de carbono y silicio unidas por enlaces covalentes. Estas capas pueden disponerse en diferentes configuraciones denominadas politípos; cada politípo se distingue por su propia secuencia de apilamiento, dando lugar a diversas estructuras cristalinas, cada una de ellas con propiedades únicas.

Las múltiples propiedades del carburo de silicio lo sitúan a la vanguardia de la innovación tecnológica. Su utilización en aplicaciones de ingeniería extremas y de alto rendimiento, como cojinetes de bombas, válvulas, inyectores de chorro de arena y matrices de extrusión, así como en la fabricación de dispositivos semiconductores que funcionan en entornos extremos, puede dar lugar a mejoras significativas en todos los sectores.