Visión general de los materiales cerámicos de carburo de silicio

El carburo de silicio es uno de los materiales cerámicos avanzados más duros y duraderos, utilizado tanto por su dureza como material abrasivo como por su resistencia al calor y su bajo coeficiente de dilatación térmica en refractarios y aplicaciones cerámicas.

La moissanita también puede aparecer de forma natural como el mineral transparente moissanite. Las primeras muestras sintetizadas artificialmente se crearon en 1891 durante el intento de Edward Acheson de crear diamantes artificiales; posteriormente, el químico Henri Moissan, ganador del premio Nobel, sintetizó artificialmente más muestras.

Resistencia a altas temperaturas

El carburo de silicio (SiC) es una cerámica no oxidada extremadamente fuerte que ofrece una resistencia excepcional contra la corrosión y los ataques químicos a temperaturas elevadas. El SiC se utiliza como material de revestimiento refractario en hornos industriales, muelas abrasivas, herramientas de corte y aplicaciones en las que la resistencia es esencial, como muelas abrasivas, herramientas de corte y aplicaciones de mecanizado. Además, los componentes de SiC constituyen piezas clave en elementos de calentamiento por resistencia, termistores para hornos eléctricos, así como tubos de revestimiento y caras de sellado que contienen SiC.

El SiC es conocido por su resistencia térmica superior y su solidez a temperaturas elevadas, lo que lo hace muy apreciado por las aplicaciones industriales. El SiC resiste la oxidación a temperaturas de hasta 1.000 ºC creando una capa protectora de óxido que actúa como una barrera entre sus superficies y los elementos que las rodean; sin embargo, a temperaturas más elevadas, las grietas pueden penetrar esta barrera y disipar energía a través de regiones intercristalinas o granulares, lo que dificulta el aumento de la resistencia a temperaturas elevadas.

El carburo de silicio puede fabricarse mediante dos procesos distintos: aglomerado por reacción y sinterizado. Ambas formas influyen significativamente en su microestructura y, por tanto, en su rendimiento a temperaturas elevadas. El aglomerado por reacción implica la infiltración de compactos verdes formados por mezclas de SiC y carbono con silicio líquido; esto crea estructuras con un cambio mínimo de dimensiones durante el procesamiento y una superficie expansiva. La microestructura refractaria de núcleo-cáscara proporciona características únicas que han demostrado aumentar la resistencia del SiC a temperaturas elevadas.

Resistencia a altas temperaturas

La extraordinaria resistencia del carburo de silicio lo convierte en un material excelente para aplicaciones de alta temperatura, como las pastillas de freno cerámicas para automóviles de consumo. El material es capaz de soportar temperaturas de hasta 1400 ºC sin perder su excepcional resistencia y dureza, lo que hace del carburo de silicio un material ideal.

El carburo de silicio se distingue de otros materiales cerámicos porque no se degrada ni funde a altas temperaturas, lo que lo hace adecuado para su uso en aplicaciones que soportan grandes esfuerzos de carga, como cojinetes y placas antibalas, sin sufrir daños estructurales permanentes. Esto hace que el carburo de silicio sea especialmente idóneo para aplicaciones que implican altos niveles de tensión de soporte de carga, como cojinetes y placas antibalas.

El carburo de silicio se produce de forma natural como el mineral extremadamente raro moissanita, mientras que la producción sintética de sic satisface las demandas de las modernas industrias de defensa nacional, energía nuclear, tecnología espacial y aeroespacial que exigen dimensiones precisas.

El carburo de silicio sinterizado presenta una de las conductividades térmicas más altas entre las cerámicas técnicas, sólo superada por el nitruro de aluminio. Esto puede atribuirse a su estructura reticular de oxígeno, que produce una gran dispersión de fonones. Aunque su conductividad térmica puede aumentarse aún más utilizando aditivos de óxido en los procesos de sinterización, éstos deben mantenerse en un mínimo absoluto para preservar la estabilidad estructural y la resistencia a la oxidación del material.

Bajo coeficiente de dilatación térmica

El bajo coeficiente de dilatación térmica del carburo de silicio lo convierte en el material perfecto para su uso como compuesto de matriz cerámica (CMC) en condiciones duras, por lo que es muy popular en aplicaciones como turbinas de gas y toberas de cohetes, donde los materiales deben soportar altas temperaturas y entornos de choque térmico.

La resistencia a la corrosión hace del acero inoxidable un material excelente para los revestimientos de hornos industriales químicos, donde puede soportar temperaturas extremas conservando su integridad estructural. Además, el acero inoxidable ofrece una gran estabilidad química que permite largos periodos de funcionamiento en entornos líquidos hostiles como soluciones ácidas y alcalinas.

El polimorfo más extendido del carburo de silicio, la forma alfa, puede encontrarse a temperaturas superiores a 1700 ºC con una estructura cristalina de wurtzita y puntos de fusión superiores a 1700 ºC. Sin embargo, también puede existir la forma beta, más rara, con una estructura cristalina de zinc blenda similar a la del diamante y un punto de fusión más bajo, de 1030 ºC. Esta forma más rara puede servir de soporte para catalizadores heterogéneos.

El carburo de silicio se puede encontrar como cerámica porosa y densa. Las técnicas de producción varían mucho, y la microestructura final depende del método de producción utilizado. El SiC aglomerado por reacción se produce infiltrando compactos de mezcla de carbono-SiC con silicio fundido que reacciona entre sí para formar más SiC, aglomerando el compacto inicial; el SiC sinterizado, como el Hexoloy, se forma mediante procesos convencionales de conformado de cerámica antes de ser sinterizado a altas temperaturas en atmósfera inerte.

Alta dureza

La dureza del carburo de silicio en la escala de Mohs alcanza hasta 9,5, situándose en tercer lugar sólo por detrás del diamante y el nitruro de boro. Esto lo hace adecuado para herramientas de corte y materiales abrasivos, así como para fabricar piezas resistentes al desgaste a altas temperaturas, como cojinetes y juntas en aplicaciones de la industria mecánica.

La combinación única de propiedades químicas estables, excelente conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión térmica, dureza y resistencia mecánica del carburo de silicio ha hecho que se utilice ampliamente en varias industrias, como la del petróleo, la ingeniería química, la microelectrónica, la automoción, la aviación, la fabricación de papel y la minería láser. Además, el carburo de silicio también se utiliza en la electrónica de la información para la protección del medio ambiente y en aplicaciones de uso energético.

El carburo de silicio (SiC) puede producirse mediante dos procesos, el enlace por reacción y la sinterización, que influirán en su microestructura final. El SiC aglomerado por reacción suele crearse infiltrando compactos compuestos por mezclas de silicio y carbono con silicio líquido, que luego reacciona con otras moléculas de silicio-carbono para formar más enlaces de SiC, mientras que el SiC sinterizado se fabrica utilizando técnicas convencionales de conformado de cerámica y auxiliares de sinterización sin óxido para la producción.

La excelente maquinabilidad del carburo de silicio lo convierte en un material excelente para fabricar componentes de estanquidad resistentes al desgaste, sobre todo cuando se combina con grafito. Esta combinación ofrece coeficientes de fricción más bajos que la cerámica de alúmina y las aleaciones duras, y mantendrá su forma durante altos valores de PV para evitar fugas de productos químicos como álcalis y ácidos al medio ambiente.

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