El nombre y la identidad química
Las letras SiC son los símbolos químicos del silicio y el carbono, por lo que SiC es carburo de silicio, un compuesto covalente de los dos elementos en una proporción de uno a uno y con una masa molar de unos 40 gramos por mol. Se produce de forma natural sólo en raras ocasiones, como el mineral moissanita, y esencialmente todo el material comercial es sintético. El carburo de silicio es extremadamente duro, con una dureza Mohs de aproximadamente 9 a 9,5 y una dureza Knoop cercana a 2500, y conserva su resistencia a altas temperaturas y resiste la oxidación porque se forma una capa protectora de sílice en su superficie. Su densidad teórica es de unos 3,21 gramos por centímetro cúbico y es eléctricamente semiconductor en forma pura, lo que constituye la base de su uso en electrónica de potencia.
Cómo se produce el carburo de silicio
El carburo de silicio a granel se fabrica en un horno Acheson, donde una mezcla de arena de cuarzo de alta pureza y carbono, generalmente coque de petróleo, se calienta haciendo pasar corriente a través de un núcleo de grafito hasta que la carga alcanza la temperatura de reacción por encima de los 2.000 grados Celsius. El producto se forma como un gran lingote que se tritura, muele, tamiza y clasifica, y el proceso requiere mucha energía, razón por la cual la producción de carburo de silicio se concentra donde la energía es barata. Los polvos finos para cerámica y semiconductores se obtienen por otras rutas, incluida la reacción del silicio con carbono y procesos en fase de vapor que dan un material de muy alta pureza con un tamaño de partícula controlado.
Grados abrasivos negros y verdes
Los dos grados abrasivos familiares son el carburo de silicio negro, elaborado a partir de arena de cuarzo y coque de petróleo y que a menudo contiene un menor contenido de carburo de silicio que se adapta al trabajo de uso general, y el carburo de silicio verde, elaborado a partir de una carga más pura que produce un mayor contenido de carburo de silicio y un grano más afilado y friable. El grano negro se utiliza para hierro fundido, piedra, vidrio y metales no ferrosos en voladuras, muelas abrasivas y abrasivos revestidos, mientras que el grano verde se prefiere para carburo cementado y otros materiales duros y quebradizos y para trabajos donde se debe limitar la generación de calor. Ambos se clasifican en tamaños de malla, donde cada número de malla define una banda de tamaño de partícula, y el contenido de carburo de silicio del grado determina la cantidad de mineral no abrasivo presente.
Formas refractarias y cerámicas
El carburo de silicio se utiliza en refractarios como materia prima para ladrillos, moldes y muebles para hornos debido a su alta conductividad térmica, resistencia al choque térmico y estabilidad química. Su alta conductividad térmica y resistencia a altas temperaturas lo hacen valioso en intercambiadores de calor y componentes de quemadores. Las cerámicas de carburo de silicio aglomeradas y sinterizadas sirven como sellos mecánicos, componentes de bombas, placas de desgaste, boquillas y armaduras, donde la dureza y la resistencia al desgaste son las propiedades decisivas. El material unido por reacción se fabrica infiltrando una preforma de carburo de silicio y carbono con silicio fundido, mientras que el material sinterizado se densifica con aditivos, y los dos procesos dan diferentes perfiles de porosidad, resistencia y costo.
Usos eléctricos y de semiconductores
El carburo de silicio es un semiconductor de banda prohibida amplia y su capacidad para funcionar a alto voltaje y alta temperatura con baja pérdida de conmutación lo ha hecho importante en la electrónica de potencia. Los dispositivos se construyen sobre obleas monocristalinas cultivadas a partir de polvo de alta pureza mediante transporte físico de vapor, y las obleas deben cumplir límites muy estrictos en cuanto a defectos de microtubos, dislocaciones y concentración de dopantes. El mismo polvo de alta pureza se utiliza para cerámicas de calidad semiconductora y para los elementos calefactores que se encuentran en los hornos de alta temperatura. En todos estos usos, el requisito de pureza es mucho mayor que el del material de grado abrasivo, razón por la cual el precio por kilogramo difiere en órdenes de magnitud entre la arena de granallado y las obleas de grado electrónico.
Preguntas frecuentes
P: ¿Qué significa SiC?
SiC significa carburo de silicio, el compuesto de silicio y carbono, y las letras son simplemente los símbolos químicos de los dos elementos en una proporción de uno a uno.
P: ¿Para qué se utiliza el carburo de silicio?
Se utiliza como abrasivo para esmerilado y granallado, como materia prima refractaria, como cerámica estructural para sellos y piezas de desgaste, y como semiconductor de banda prohibida ancha en electrónica de potencia.
P: ¿Cuál es la diferencia entre el carburo de silicio negro y verde?
El grano negro está hecho de una carga menos pura y es adecuado para trabajos abrasivos generales en hierro fundido, piedra y metales no ferrosos, mientras que el grano verde es más puro, más afilado y preferido para materiales duros como el carburo cementado.
P: ¿Qué tan duro es el carburo de silicio?
Tiene una dureza Mohs de aproximadamente 9 a 9,5 y una dureza Knoop cercana a 2500, lo que lo coloca entre los materiales industriales a granel más duros después del diamante y el nitruro de boro cúbico.
P: ¿El carburo de silicio es natural o sintético?
Casi todo el carburo de silicio comercial es sintético y se produce en un horno Acheson a partir de arena de cuarzo y carbono, aunque existe una forma natural rara como el mineral moissanita.
P: ¿Por qué es tan caro el carburo de silicio de grado electrónico?
Porque las obleas semiconductoras deben crecer a partir de un polvo de muy alta pureza y cumplir con límites extremadamente estrictos en cuanto a defectos cristalinos y dopantes, mucho más allá de los requisitos de los materiales de grado abrasivo o refractario.