Introducción:
Uno de los materiales cerámicos avanzados que está causando sensación en el sector manufacturero es la cerámica de carburo de silicio. El mundo científico está entusiasmado con este descubrimiento. Se trata de un material cerámico avanzado que ha respondido a numerosas necesidades de los industriales, en particular del sector de la electrónica de potencia.
Origen del carburo de silicio
El semiconductor avanzado conocido hoy como carburo de silicio fue descubierto accidentalmente en 1891 por Acheson Ed. Este científico estadounidense buscaba una alternativa al diamante. Su intención era clara, pero el resultado de su experimento produjo el carburo de silicio, lo que le dio popularidad, ya que nadie antes había hecho un descubrimiento semejante.
El carburo de silicio también fue descubierto de forma natural como mineral en un meteorito en 1893 por Moissan Henri. De ahí su otro nombre, moissanita. Debido a este descubrimiento y a la semejanza de sus componentes con el polvo de estrellas, el carburo de silicio recibió el nombre de piedra preciosa celestial.
FIG 1: Un trozo de meteorito
Preparación comercial de carburo de silicio
La cerámica de carburo de silicio se puede producir sintéticamente en cantidades comerciales. Existen dos métodos conocidos para la producción sintética de carburo de silicio: el método Lely, iniciado por Anthony Lely en 1955, también conocido como tecnología de crecimiento de cristales, y el método de vapor químico.
FIG. 2: Enlace covalente del carburo de silicio
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Método Lely: Este es un proceso de producción comercial de cristales de carburo de silicio para la industria de semiconductores. En este proceso, el polvo de carburo de silicio se sublima y se calienta en un crisol a temperaturas muy altas con gas argón. Posteriormente, los cristales se adhieren a una varilla en el centro del crisol, que se encuentra a menor temperatura.
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Método de vapor químico: Este es un método adoptado por las industrias metalúrgicas y extractivas para generar productos de alta pureza8. El método de vapor químico implica la descomposición de átomos de silicio y carbono en un entorno controlado. La descomposición incompleta resultante de este método produce sustratos de carburo de silicio, utilizados en la industria de semiconductores7.
Las múltiples dimensiones del carburo de silicio como cerámica semiconductora
El carburo de silicio es una sustancia también conocida como carborundo. También se le conoce como semiconductor de carburo de silicio, sic, sic cerámico y sustrato de carburo de silicio. A menudo, intercambiaremos el uso de estos nombres al analizar las diversas características de esta cerámica avanzada.
Sin embargo, independientemente del nombre que se le dé a la sustancia, sus características básicas son las mismas. Las características de la cerámica de sic que se examinarán más a fondo son las propiedades químicas, físicas y mecánicas.
Propiedades químicas del carburo de silicio (Sic): El carburo de silicio es un compuesto químico formado por iones de silicio y carbono fuertemente unidos. La fuerte unión de esta cerámica avanzada la hace químicamente inerte. Su fuerte banda prohibida (band gap) la hace altamente efectiva como cerámica semiconductora (cerámica sic).
En otras palabras, el sic no se desintegra fácilmente con otras sustancias químicas, en particular ácidos y álcalis. El enlace tetraédrico de los átomos de silicio y carbono produce un sustrato de carburo de silicio¹. Como resultado, el sic posee la composición interna necesaria para su aplicación en el sector manufacturero, especialmente en la fabricación de semiconductores.
También es muy resistente a las sales y los álcalis y no se disuelve en agua. Sin embargo, sí se disuelve en hierro fundido y en algunas formas de ácido fluorhídrico.
Electrónicamente, la densidad de portadores intrínseca del sic cerámico es muy baja, y esto mejora su idoneidad para operaciones a alta temperatura.
Propiedades físicas: Estos se reflejan fácilmente en el color, la forma y la textura de la sustancia. El carborundo es una gema, y esto se refleja en sus diversos matices de color. Al igual que los diamantes, son muy valorados por su brillo, y sus colores se clasifican del 4 al 7. También es importante tener en cuenta que su brillo verdoso puede confundirse con diamantes.
También conocido como Sic cte debido a sus características térmicas, ya que el sic cte define su coeficiente térmico, el carburo de silicio tiene fama de conducir una gran cantidad de electricidad. Presenta un punto de ebullición y un punto de fusión muy altos.
Propiedades mecánicas del carburo de silicio: El carburo de silicio es un material muy duro. De hecho, es la sustancia más dura2. Se le atribuye una dureza superior, solo superada por el diamante. La covalencia en los enlaces de los átomos de silicio y carbono del carburo de silicio lo hace muy duro8. La cerámica de silicio se considera altamente resistente a la corrosión y a los impactos.
La cerámica Sic tiene mucho peso, así como una alta capacidad de absorción.
Carborundo y politipismo: La cerámica de Sic cristaliza en diferentes estructuras mediante un proceso conocido como politipismo², que produce politipos de la cerámica avanzada. La formación de politipos en el carburo de silicio se atribuye a las diferencias en las características superficiales del carbono y el silicio².
Los politipos de cerámica de silicio presentan características distintivas en cuanto a movilidad, ancho de banda y propiedades electrónicas. También se diferencian en cuanto al apilamiento de sus cristales.² Las características cristalinas del carburo de silicio dieron origen a su forma de carborundo, una piedra preciosa muy apreciada.
La movilidad de los politipos cerámicos sic se demuestra en los usos del carburo de silicio para el desarrollo de materiales acústicos.
FIG 3: Cristales cerámicos de Sic
Usos de la cerámica de silicio (carburo de silicio):
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La cerámica de Sic se considera uno de los materiales cerámicos más avanzados utilizados en la producción de equipo balístico. Estos incluyen prendas de protección corporal como chalecos antibalas. La mayoría de los chalecos antibalas utilizan materiales cerámicos avanzados como capa frontal. Esto se debe a la capacidad del semiconductor para desviar proyectiles de alta velocidad, como las balas.
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El sic cte se utiliza como recubrimiento para la tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS) implementada en sistemas biomédicos y bioquímicos10. Los productos eléctricos resultantes de la tecnología MEM, como generadores y sistemas acústicos, requieren estas características del sic cte. El objetivo de la elección del sic cte es lograr rentabilidad en la producción, así como fiabilidad8.
FIG 4: Semiconductores de carburo de silicio en piezas del generador
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El carburo de silicio es un material cerámico avanzado y confiable que se utiliza en la producción de ladrillos duraderos para la construcción. El silicio presente en la arcilla utilizada en la producción de ladrillos le confiere sus propiedades cerámicas avanzadas. Los ladrillos se utilizan en la construcción para lograr resistencia, durabilidad y una buena ventilación en las estructuras de los edificios11.
FIG 5: Semiconductor de carburo de silicio (ladrillos)
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El sector de la aviación es reconocido por su énfasis en la calidad y la durabilidad de sus equipos. Esto justifica el uso de recubrimientos cerámicos de silicio en los materiales utilizados en la construcción de aeronaves. Esto garantiza que las aeronaves sean lo suficientemente resistentes como para resistir la fuerza de vientos y aeronaves de alta velocidad. El peso adecuado de la cerámica de silicio utilizada también garantiza que las aeronaves se mantengan a flote.
FIG 6: Piezas de aeronaves fabricadas a partir de cerámica sic
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Las características físicas y microestructurales de los materiales cerámicos avanzados, como la cerámica de silicio (SIC), los convierten en la opción preferida. Se emplean de forma adecuada en la fabricación de componentes críticos de equipos eléctricos, como generadores e instrumental quirúrgico. Su uso como películas delgadas garantiza una larga duración y resistencia al desgaste.
FIG 7: Uso del Sic en electrónica.
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Al principio de este artículo mencionamos que el carburo de silicio también se conoce como carborundo. El término carborundo se aplica particularmente a la cerámica de silicio en su uso en joyería. Como buena alternativa a los diamantes, el carborundo es muy popular para la fabricación de anillos de compromiso. Es más económico que los diamantes, pero igual de impactante.
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La capacidad del carburo de silicio para soportar altos voltajes eléctricos lo hace ideal para vehículos eléctricos y solares. El carburo de silicio posee una conductividad térmica muy alta y favorece la disipación del calor entre los componentes de los vehículos eléctricos12. La cerámica de silicio (Sic) utilizada en los cargadores de vehículos eléctricos (VE) mejora la eficiencia al reducir la necesidad de otros componentes12.
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La cerámica de Sic es útil para los procesos fotocatalíticos. Estos métodos se utilizan para aumentar los procesos termodinámicos mediante el uso de la energía lumínica para la fotosíntesis. Los procesos fotocatalíticos ayudan a reducir la exposición del medio ambiente a sustancias químicas y toxinas provenientes de las actividades industriales. De esta manera, el carburo de silicio es una herramienta útil para la protección del medio ambiente13.
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La dureza de los materiales cerámicos de silicio los hace aptos para su uso como abrasivos. Los abrasivos, por sí mismos, deben poseer resistencia a la tracción y durabilidad. Abrasivos como la cerámica de silicio se utilizan en diversos sectores, como la construcción y la tecnología. Un ejemplo de abrasivos es el papel de lija, que se utiliza para alisar superficies rugosas y blandas14.
FIG 8: Abrasivo de carburo de silicio - papel de lija
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El carburo de silicio también se utiliza para la fabricación de materiales de corte. Es muy duro y, por lo tanto, resistente a la corrosión al cortar otros objetos. Los materiales recubiertos con cerámica de silicio ofrecen gran precisión y dureza al cortar materiales duros. Además, la cerámica de carburo de silicio utilizada para corte no se desgasta ni se corroe fácilmente a pesar del uso repetido.
Desafíos en el uso de carburo de silicio incluyen los siguientes:
El carburo de silicio es un material muy escaso. Por ello, su disponibilidad depende de la producción comercial, lo que, en la mayoría de los casos, resulta en formas impuras del compuesto.
Ø Los costos de producción del carburo de silicio son elevados y esto se refleja en el alto coste de compra por parte de los industriales que lo necesitan.
Conclusión:
El carburo de silicio es un gran descubrimiento y ha seguido impactando en sus diversas formas de uso. Esperamos que surjan nuevos avances tecnológicos que innoven métodos más económicos y lo pongan a disposición de más industriales.