La alta temperatura de fusión del carburo de silicio

El carburo de silicio es una cerámica no oxidada extremadamente dura y resistente con excelentes propiedades a altas temperaturas, ampliamente utilizada en múltiples industrias para aplicaciones exigentes.

El examen fractográfico de las muestras ensayadas en argón a 1500-2100 ºC mostró que sólo la capa más externa estaba oxidada; sólo su escala de óxido contenía granos de boro deformados y alargados con bigotes circundantes de WO3.

Termodinámica

El carburo de silicio (SiC) es un material cerámico inerte con muchas propiedades industriales deseables. Entre ellas se incluyen la alta resistencia, la resistencia al desgaste, la resistencia al choque térmico y la conductividad térmica, así como la resistencia a ácidos y álcalis y la capacidad de soportar temperaturas de hasta 1600 ºC.

El SiC puede actuar como aislante eléctrico o como semiconductor en función de su nivel de dopaje y composición. El dopaje con nitrógeno o fósforo crea una conductividad de tipo n, mientras que el dopaje con boro, galio o aluminio puede generar una conductividad de tipo p.

En la actualidad, el carburo de silicio se utiliza ampliamente en industrias que van desde la producción de acero, el tratamiento térmico de metales, la producción de vidrio flotado y la fabricación de cerámica y componentes electrónicos hasta la fabricación de blindajes compuestos (como el blindaje Chobham) y chalecos antibalas.

El SiC funde en función tanto de la presión como de la temperatura, y su temperatura de fusión viene determinada por ambas variables. A bajas presiones, su diagrama de fases muestra una fusión incongruente que se produce como una mezcla en equilibrio de cristal cúbico 3C y cristal hexagonal 6H (véase [17]). Sin embargo, a presiones más elevadas, los estudios han observado que se funde de forma congruente para formar líquido con una curva de fusión inequívoca, como se ve en la Figura 5. Su cinética lenta se debe probablemente a que el líquido se funde de forma congruente. Su lenta cinética se debe probablemente a las grandes diferencias entre radios atómicos de carbono frente a radios atómicos de silicio (véase [18].

Presión

El carburo de silicio ha saltado a los titulares por sus propiedades semiconductoras, sobre todo por su mayor resistencia a la tensión que el silicio normal. Además, el carburo de silicio también puede utilizarse como abrasivo y en aplicaciones refractarias como los discos de freno de alto rendimiento para automóviles.

El SiC se encuentra con mayor frecuencia como carburo de silicio alfa (a-SiC), con su estructura cristalina hexagonal similar a la wurtzita. Sin embargo, la forma beta también puede formarse a temperaturas más bajas, pero tiene aplicaciones comerciales limitadas. El SiC es conocido por ser un material duro y resistente al calor y la corrosión, con propiedades similares a las del diamante.

El carburo de silicio se produce en forma de polvo o cristal para su uso en diversas aplicaciones refractarias, abrasivas y metalúrgicas. En combinación con el grafito, suele utilizarse para producir carburo de silicio reforzado con fibra de carbono que se emplea en discos de freno de alto rendimiento para automóviles.

El proceso Lely es la forma habitual de fabricar carburo de silicio. Consiste en calentar una mezcla de arena de sílice y carbón (normalmente coque) a temperaturas muy elevadas en un crisol de granito con un conductor de carbono que actúa como electrodo, mientras la corriente eléctrica pasa a través del coque, creando reacciones químicas que permiten la sublimación a temperaturas más bajas y el depósito en barras de grafito a temperaturas más frías, dando lugar a cristales verdes puros de SiC conocidos como moissanita.

Difusión

El carburo de silicio (SiC) es un material cristalino amorfo con un punto de fusión extremadamente alto (2700oC). Debido a los fuertes enlaces covalentes entre los átomos de Si y C, el carburo de silicio presenta una dureza y fragilidad extremas, aunque no alcanza la dureza del diamante (9,5 en la escala de Mohs). Se encuentra en la naturaleza en forma de moissanita, descubierta en el cráter del meteorito Canyon Diablo en Arizona en 1893; también se fabrica artificialmente mediante la reducción de sílice-carbono en un horno eléctrico a altas temperaturas.

El carburo de silicio se utiliza ampliamente debido a sus excepcionales propiedades físicas y químicas. Presenta características eléctricas superiores, como una resistencia a la tensión 10 veces superior a la del silicio estándar y un mejor rendimiento en sistemas que funcionan a más de 1000 V que el nitruro de galio; además, es resistente a los choques térmicos y al desgaste.

Como parte de los esfuerzos para mejorar la capacidad aislante del carburo de silicio, a menudo se cubre con una capa de carbono (conocida como C-cap) para mitigar la degradación durante los procesos de recocido a alta temperatura. Desgraciadamente, sin embargo, este recubrimiento también puede tener efectos perjudiciales sobre la autodifusión al fomentar la formación de pares de Frenkel y crear antisitos inmóviles (véase la figura 4 para ilustrar este fenómeno). La figura 4 muestra la comparación entre las muestras sin recubrimiento y con recubrimiento de C recocidas a 1700oC durante una hora; 30 las formas de los perfiles difieren entre las muestras debido a la presencia de agujeros de alfiler en las muestras con recubrimiento de C recocidas a 1700oC durante una hora en ambas muestras, lo que se evidencia por las diferencias entre sus diagramas de Arrhenius de las curvas de autodifusión (que indican la presencia de agujeros de alfiler en la muestra con recubrimiento de C).

Temperatura

El carburo de silicio (SiC) es un material cerámico no oxidado con una notable estabilidad térmica y resistencia a temperaturas elevadas. Compuesto por átomos de carbono y silicio estrechamente unidos por estructuras reticulares cristalinas, el carburo de silicio tiene un punto de fusión muy alto, lo que lo hace adecuado para usos industriales a temperaturas extremas.

El SiC puro no es un excelente conductor eléctrico; sin embargo, doparlo con dopantes específicos aumenta significativamente su conductividad. Además, la resistencia al choque térmico y a la fluencia del SiC supera a la de otros materiales cerámicos de alta temperatura, como la alúmina o el carburo de boro.

En la industria siderúrgica, el carburo de silicio 90% es un componente integral de los hornos básicos de oxígeno (BOF). Sirve como combustible para aumentar la relación chatarra/metal caliente y elevar la temperatura de colada; además, ayuda a desoxidar el acero al tiempo que elimina las impurezas de su baño de fusión, y es un medio eficaz para controlar los niveles de contenido de carbono en el acero fundido.

El SiC no sólo se utiliza en la industria siderúrgica, también tiene otras muchas aplicaciones. Por ejemplo, es un catalizador eficaz en la producción de cloruro de polivinilo y otros compuestos orgánicos. Además, el SiC puede utilizarse para producir alúmina y carburos de boro; por otra parte, es un componente integral de los blindajes compuestos, como el blindaje Chobham.