Carburo de silicio
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Carburo de silicio (SiC). Es un material sintético de dureza excepcional, altamente resistente al desgaste y químicamente inerte a álcalis y ácidos. Es conocido también como carborundo o carborundio, presenta una estructura covalente de estequiometría 1:1 y dureza similar a la del diamante, a pesar del diferente tamaño del C y Si.
Sumario
Descubrimiento
Fue descubierto en 1893 por el francés Henri Moissani mientras examinaba muestras de rocas del cráter de un meteorito ubicado en el Cañón del Diablo (Arizona, Estados Unidos) y luego obtenido de forma accidental por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius en 1894 mientras realizaba un experimento para sintetizar diamantes.
Casi al mismo tiempo, el estadounidense Edward Goodrich Acheson diseñó un método para fabricar a partir de arcilla y coque un material que podría sustituir al diamante como material abrasivo y de corte (método Acheson); al producto obtenido (carburo de silicio) lo denominó carborundum. En 1894 creó la empresa Carborundum Co para su comercialización.
Combinación
El carburo de silicio proviene de una combinación de coque de petróleo, y cuarzo altamente puro o arena, que son fundidos a altas temperaturas en un horno electrónico. Por lo general, permanecen a una temperatura de 2000ºC, durante 36 horas, y puede observarse su cristalización a partir de los 1400 ºC o 1800 ºC.
Características del carburo de silicio
- El carburo de silicio presenta un color negro, aunque también adquiere una tonalidad parecida a la de la [arena], es decir, que va de amarillo a transparente. Además, se puede hallar en verde.
- Se considera una aleación sólida sobre la estructura anfitrión (C en forma de diamante) se cambian átomos de éste por átomos de Silicio, siempre y cuando el hueco que se deje sea similar al tamaño del átomo que lo va a ocupar.
- Presenta gran capacidad para tolerar el desgaste y la corrosión.
- Alcanza durezas en la escala de Mohs de 9 a 9,5.
- Es un material semiconductor (~ 2,4V) y refractario que presenta muchas ventajas para ser utilizado en dispositivos que impliquen trabajar en condiciones extremas de temperatura, voltaje y frecuencia, el Carburo de Silicio puede soportar un gradiente de voltaje o de campo eléctrico hasta ocho veces mayor que el silicio o el arseniuro de galio sin que sobrevenga la ruptura, este elevado valor de campo eléctrico de ruptura le hace ser de utilidad en la fabricación de componentes que operan a elevado voltaje y alta energía como por ejemplo: diodos, transistores, supresores, e incluso dispositivos para microondas de alta energía. A esto se suma la ventaja de poder colocar una elevada [densidad] de empaquetamiento en los circuitos integrados.
- Gracias a la elevada velocidad de saturación de portadores de carga (2×107 cm−¹) es posible emplear SiC para dispositivos que trabajen a altas frecuencias, ya sean Radiofrecuencias o Microondas. Por último una dureza de ~9 en la escala de Mohs le proporciona resistencia mecánica que junto a sus propiedades eléctricas hacen que dispositivos basados en SiC ofrezcan numerosos beneficios frente a otros semiconductores.
- Las características del módulo elástico y de la expansión térmica son dadas por las características del cristal de SiC en sí mismo, y la conductividad térmica o la difusividad térmica de los carburos de silicio tiende a ser substancialmente más alta que las de la otra cerámica estructural. La combinación de un módulo elástico alto y moderado coeficiente de la expansión térmica convierte al SiC en susceptible al daño por choque térmico.
- La resistencia al choque térmico es perceptiblemente más baja que la del nitruro de silicio, pero más alta que la cerámica estructural del zirconia. El comportamiento ante el choque térmico es también muy dependiente de la aplicación. Por ejemplo, los cambios de temperatura muy rápidos pueden conducir a una preferencia del Si3N4 sobre SiC, mientras que para índices moderados del cambio de temperatura la alta conductividad térmica de SiC puede conducir a un funcionamiento mejor.
- La resistencia a la fractura de SiC tiende a ser más baja que la de la otra cerámica estructural lo cual conduce a una cierta preocupación por el uso de SiC en ciertos motores de combustión, tales como rotores de turbina que puedan ser susceptibles al impacto de objetos extraños.
- La resistencia a la abrasión angular de la partícula o de la mezcla. SiC enlazado por reacción tiende a ser el más susceptible al desgaste erosivo debido a desgaste preferencial de los granos libres conectados a la superficie del silicio. SiC enlazado por reacción también aparece mucho menos resistente a los ácidos, a los álcalis, y a los productos de alta temperatura de la combustión que el material sinterizado monofásico.
- En contacto con el sulfato de sodio, o escorias ácidas o básicas del carbón de la gasificación del carbón, SiC tiende a corroerse levemente. El carburo sinterizado de silicio también se ha demostrado que también se corroe a temperaturas elevadas en atmósferas que contenían hidrógeno.
Obtención
El reconocido método Acheson es utilizado actualmente para la preparación de carburo de silicio. Cada material para este proceso atraviesa una exhaustiva selección, que incluye moler, lavar, secar y separar magnéticamente las trazas inadecuadas. Posteriormente, es necesario extraer el polvo, realizar el cribado, mezclar y empaquetar. Habitualmente este carbono de silicio se produce en distintos tipos de grano, con grosores y aditivos diferentes.
El carburo de silicio se obtiene de arenas o cuarzo de alta pureza y coque de petróleo fusionados en horno de arco eléctrico a más de 2000 °C con la siguiente composición:
SiO2 + 3 C → SiC + 2 CO
Luego pasa por un proceso de: Selección, molienda, lavado, secado, separación magnética, absorción del polvo, cribado, mezclado y envasado. Luego con este producto en distintos granos (o grosores de grano) y distintos aditivos, soportes y aglomerantes, se elaboran las lijas, discos de corte de metal, pastas para pulir, entre otros.
Tecnología de fabricación
Los carburos de silicio para el uso estructural se pueden clasificar como: sinterizado enlazado por reacción, fase líquida, y de estado sólido sinterizado. El SiC4 enlazado por reacción es un compuesto de una matriz continua de SiC que tiene silicio de 5 a del 20%, y metal que llena el volumen restante. Para formar este material, una preforma del polvo que contenía el carbón agregado como polvo o como el producto de la descomposición de una resina de la fuente del carbón, se infiltra con silicio alrededor 1500 ºC con contacto directo o usando el vapor del silicio.
El silicio reacciona con la preforma del carbón para formar una estructura que tiende un puente sobre el SiC. El exceso de sílice restante, llena el espacio de poro residual y da un producto completamente denso que tiene integridad estructural hasta 1370 ºC. El silicio se funde a 1410 ºC. La preforma se puede fabricar por cualquiera de los procesos de cerámica tradicionales. Por otra parte, las bajas temperaturas (1500 ºC) empleadas durante el enlazado por reacción, combinada con la flexibilidad de tamaño y pureza del polvo, proporcionan un producto de buena calidad con un coste razonable.
Aplicaciones
El carburo de silicio ha sido el material que más se ha empleado para los usos de cerámicas estructurales. Las características tales como expansión térmica relativamente baja, el alto radio fuerza-peso, alta conductividad térmica, dureza, resistencia a la abrasión y a la corrosión, y lo más importante, el mantenimiento de la resistencia elástica a temperaturas de hasta 1650 ºC, han conducido a una amplia gama de usos.
Se utilizan más para funcionamiento con desgaste a baja temperatura que para el comportamiento de alta temperatura. Los usos del SiC son tales como inyectores de chorro de arena, sellos automotores de la bomba de agua, cojinetes, componentes de la bomba, y dados de extrusión que utilizan la alta dureza, resistencia de la abrasión, y resistencia a la corrosión del carburo de silicio.
Los usos estructurales a elevada temperatura se extienden desde las gargantas del inyector del cohete hasta los rodillos del horno y la combinación de la alta conductividad térmica, de la dureza y de la estabilidad a alta temperatura hace que se fabriquen los componentes de los tubos de intercambiadores de calor de carburo de silicio.
Esta cerámica térmica es resistente y fuerte ante el choque de calor, y provee de gran conductividad térmica, ideal para la fabricación de revestimientos y aditamentos para hornos.
Se utiliza en la confección de lápices, papel de lijar, cerámicas y como abrasivo para cortar o pulir.
Riesgo de manipulación
Las leyes actuales indican que es necesario que los empleadores informen a sus trabajadores que manipularán este tipo de material durante su jornada. Asimismo, la empresa deberá instruir al personal sobre la manipulación adecuada del carburo de silicio.
La rotulación de cada envase procurará una rápida identificación del contenido. De igual forma, es prudente que los empleados reciban una evaluación médica completa, periódicamente, para descartar riesgos potenciales de salud. Estas pruebas pueden incluir recolección de muestras de aire de forma individual o en los alrededores de la instalación.
Inhalar carburo de silicio puede provocar irritación excesiva en los ojos y la nariz y una cercanía constante a la mezcla puede hacer al individuo susceptible de contraer una enfermedad pulmonar crónica, cambios en el tórax, sensación de ahogo y silbante o con excesiva tos.
Asimismo, se ha dicho que la exposición exagerada a carburo de silicio puede producir la aparición de enfermedades graves como cáncer, infertilidad o aumenta las probabilidades de contraer tuberculosis. Los efectos de este material pueden durar de seis meses a un año en el organismo.
Medidas de protección
Es importante tomar el control en cuanto al resguardo de la salud cuando se expone a carburo de silicio:
• Operar en una zona ventilada es vital para reducir la exposición química. Si la localización no posee estas características, el uso de respiradores es esencial.
• El trabajador deberá tomar una ducha inmediatamente después de haber manipulado carburo de silicio. Hay que ser preciso en este sentido, pues la salud podría estar en juego.
• Usar ropa protectora, que evite completamente el contacto con su piel del carburo de silicio. Esto incluye: guantes, zapatos, protección para la cabeza. Esta debe estar limpia diariamente y estar disponible para su utilización.
• Se recomienda la utilización de lentes contra impactos, que posean cubiertas laterales para evitar que cualquier pieza de carburo de silicio entre en contacto con los ojos.
Si usted está empleando un respirador, pero puede oler, sentir o saborear el carburo de silicio, debe abandonar las instalaciones de forma inmediata y contactar al servicio médico a la brevedad posible.
