Desde el nacimiento del carburo de silicio, su alta rigidez y estabilidad a altas temperaturas se basan en su “NDA”; Se utiliza como material abrasivo y refractario en grandes cantidades en diversas industrias. Con el avance de la tecnología de síntesis de SiC, se ha utilizado en el campo de los semiconductores LED de alto brillo desde finales del siglo XX. Durante la última década, impulsado por el fuerte crecimiento de industrias emergentes como los vehículos de nueva energía, el almacenamiento de energía fotovoltaica y las comunicaciones 5G, el carburo de silicio ha experimentado un aumento en la demanda.
El siguiente artículo le informará las características, el grado, la síntesis y los usos del carburo de silicio para ayudarlo a obtener una comprensión más profunda del mismo.
Características de los materiales
● Resistencia a altas temperaturas: Incluso a una temperatura de 1600-1650 ℃, las propiedades mecánicas y la forma de las piezas cerámicas de SiC pueden permanecer bien.
● Alta conductividad térmica: puede alcanzar 120~200 W/km, solo superada por el nitruro de aluminio (AlN) y el óxido de berilio (BeO).
● Bajo coeficiente de expansión térmica (CTE): SiC (4,0~4,5-6/K) es una de las cerámicas industriales con una expansividad térmica más cercana a la de los chips de Si (2,5 ~4,2 x 10-6/K).
● Dureza/resistencia a la abrasión: Su dureza Mohs es de 9,5, ligeramente inferior a la del diamante (10).
● Resistencia a la corrosión: Es uno de los productos químicamente más inertes entre todas las cerámicas avanzadas. En diversos entornos hostiles, puede resistir el envejecimiento.
● Otros: Peso ligero (3,1~3,2 g/cm 3 ), módulo elástico alto (400~450 GPa), excelente choque térmico, no mojado ni erosionado por la mayoría de los metales fundidos, propiedades semiconductoras, buen aislamiento eléctrico y no tóxico.
Grados y síntesis
El carburo de silicio es un material fundamental para los componentes estructurales cerámicos. Su grado se divide principalmente según el proceso de sinterización y el grado de densificación de la siguiente manera:
1. Tipo sinterizado sin presión (SSiC)
● Método de síntesis:
La densificación se logra mediante sinterización en fase sólida a alta temperatura y presión atmosférica mediante la adición de coadyuvantes de sinterización como boro y carbono. Este es el proceso más común y económico.
● Rendimiento:
Alta densidad (≥98% de densidad teórica), excelente resistencia, dureza, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión.
● Aplicaciones:
Anillos de sellado, cojinetes, boquillas, revestimientos resistentes al desgaste, muebles de horno (saggers, rodillos), etc.
2. Tipo unido por reacción (RBSiC)
● Método de síntesis:
Después de mezclar y moldear el polvo de α-SiC y el polvo de carbono, reaccionan con silicio fundido o vapor de silicio a alta temperatura para generar β-SiC, que llena los poros y logra la densificación.
● Rendimiento:
Alta densidad, deformación de sinterización ideal, alta precisión dimensional, ciclo de preparación corto y bajo costo. Pero el material suele contener una pequeña cantidad de silicio libre, lo que limita su temperatura máxima de funcionamiento (alrededor de 1350°C) porque el silicio se derrite.
● Aplicaciones:
Componentes con requisitos de alta precisión dimensional, como sellos mecánicos de precisión, soportes de calentadores en la industria fotovoltaica, rodillos, etc.
3. Tipo recristalizado (R-SiC)
● Método de síntesis:
Un proceso de sinterización sin presión que utiliza transferencia de masa por evaporación-condensación de SiC a altas temperaturas para lograr el crecimiento y la unión del grano, sin la adición de ningún auxiliar de sinterización.
● Rendimiento:
Extremadamente puro y sin vidrio, ofrece una excelente resistencia a las altas temperaturas (capaz de uso prolongado por encima de 1600 °C) y una excelente resistencia a la oxidación y al choque térmico. Sin embargo, tiene una alta porosidad (aproximadamente 15%-20%) y una resistencia mecánica relativamente baja.
● Aplicaciones:
Muebles de hornos de alta gama (como soportes y vigas), boquillas de quemadores, tubos intercambiadores de calor y otras aplicaciones que involucran ambientes ricos en oxígeno y de alta temperatura.
4. Tipo de prensado isostático en caliente (HIPSiC)
● Método de síntesis:
La sinterización se realiza a altas temperaturas utilizando una presión extremadamente alta (prensado en caliente) o gas isotrópico a alta presión (prensado isostático en caliente). Generalmente se añaden auxiliares de sinterización.
● Rendimiento:
Alcanzar una densidad teórica de casi el 100%, con granos finos y uniformes, da como resultado las propiedades mecánicas más altas (resistencia y tenacidad) de todos los grados.
● Aplicaciones:
Se utiliza en aplicaciones con requisitos de rendimiento extremadamente exigentes, como blindaje, componentes aeroespaciales críticos y herramientas de corte de alta gama. Debido a su alto costo, su rango de aplicación es limitado.
Usos de la cerámica de carburo de silicio
Debido a que los diferentes grados de carburo de silicio ofrecen distintas combinaciones de propiedades, pueden adaptarse con precisión a industrias específicas y transformarse en sus soluciones comerciales. La siguiente tabla enumera las aplicaciones correspondientes según el rendimiento, que esperamos sea útil.
Propiedades principales | Industrias objetivo | Piezas reales en usos |
Excelente resistencia al desgaste | Minería, energía, productos químicos. | ● Boquilla: chorro de arena, corte por chorro de agua
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Fabricación de automóviles y maquinaria. | ● Sellos: Sellos de eje para ambientes severos. ● Placas de desgaste | |
Excelente resistencia mecánica y rigidez. | Bombas, válvulas y maquinaria de fluidos. | ● Sellos mecánicos: Utilizados en bombas químicas y bombas multietapa. ● Rodamientos de bolas y rodillos: Se utilizan en husillos de alta velocidad y máquinas herramienta de precisión. ● Manguitos de bomba y collares de empuje: componentes centrales de bombas de accionamiento magnético. |
Defensa y aeroespacial | Material de armadura liviano: utilizando su alta dureza y alta resistencia para resistir el impacto | |
Excelente resistencia a altas temperaturas y capacidades de gestión térmica. | Metalurgia, vidrio, cerámica. | ● Accesorios del horno: Muebles del horno (soportes, travesaños, placas de empuje), horno. ● Boquillas del quemador: Componentes del quemador de alta eficiencia y ahorro de energía. |
fabricación de semiconductores | ● Componentes de procesamiento de obleas: discos de molienda, accesorios, paletas de recocido y bandejas epitaxiales. Garantizan la planitud y la baja contaminación de las obleas de silicio durante los procesos a alta temperatura. | |
Excelente inercia química | Industria química, petróleo y gas. | ● Anillos de sellado y sellos mecánicos: Se utilizan en bombas que manejan ácidos fuertes (ácido sulfúrico, ácido clorhídrico) y álcalis fuertes. ● Bolas de válvulas y asientos de válvulas: controlan el flujo de medios corrosivos. ● Intercambiadores de calor: Se utilizan para la transferencia de calor en ambientes altamente corrosivos. |
Alta conductividad térmica y propiedades eléctricas. | Electrónica de potencia y semiconductores | ● Sustratos de dispositivos electrónicos: Disipadores de calor para LEDs de alta potencia y módulos IGBT. ● Equipos de fabricación de obleas: Mandriles y calentadores electrostáticos. |
Sensación y control industriales | ● Conjuntos de calentadores y sensores: equipos de tratamiento térmico de alta temperatura. |
Conclusiones
En resumen, el carburo de silicio es un material cerámico avanzado y versátil, especialmente en términos de resistencia al desgaste, rendimiento térmico e inercia química, que supera con creces a otras cerámicas de ingeniería. Tiene una variedad de métodos de síntesis, lo que da como resultado diferentes grados de productos con propiedades únicas. Las piezas de carburo de silicio permiten numerosos escenarios de aplicación desafiantes, lo que les permite superar límites más altos y proporcionar mejores soluciones de costo total.
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