Carburo de silicio

Carburo de silicio
General
química fórmula Sic
Propiedades físicas
Estado cristales, drusas o polvos cristalinos de transparente blanco, amarillo, verde o azul oscuro a negro, dependiendo de la pureza, dispersión, modificaciones alotrópicas y politípicas.
Masa molar 40,0962 g/ mol
Densidad 3,21 g/cm³ [1]
Dureza 9.5
Energía de ionización 9,3 ± 0,1 eV [2]
Propiedades termales
La temperatura
 •  fusión (dec.) 2730 °C
 • sublimación 4892±1℉ [2]
Presion de vapor 0 ± 1 mm Hg [2]
Propiedades químicas
Solubilidad
 • en agua insoluble
 • en ácidos insoluble
Propiedades ópticas
Índice de refracción 2.55 [3]
Clasificación
registro número CAS 409-21-2
PubChem
registro Número EINECS 206-991-8
SONRISAS   [C-]#[Si+]
InChI   InChI=1S/CSi/c1-2HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N
RTECS VW0450000
CHEBI 29390
ChemSpider
La seguridad
NFPA 704 Diamante de cuatro colores NFPA 704 0 una 0
Los datos se basan en condiciones estándar (25 °C, 100 kPa) a menos que se indique lo contrario.
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El carburo de silicio ( carborundo ) es un compuesto químico inorgánico binario de silicio con carbono . Fórmula química de SiC. En la naturaleza, se presenta como un mineral extremadamente raro  : moissanite . El polvo de carburo de silicio se obtuvo en 1893 . Se utiliza como abrasivo , semiconductor , en microelectrónica (en las centrales eléctricas de los vehículos eléctricos), para inserciones que imitan al diamante en joyería .

Apertura y comienzo de la producción

Despretz (1849), Marsden (1880) y Colson (1882) [4] informaron sobre síntesis tempranas, no sistemáticas y, a menudo, no reconocidas de carburo de silicio . La producción a gran escala comenzó Edward Goodrich Acheson en 1893. Patentó un método para obtener carburo de silicio en polvo el 28 de febrero de 1893 [5] . Acheson también desarrolló un horno eléctrico, en el que todavía se está creando carburo de silicio. Fundó The Carborundum Company para producir una sustancia en polvo que originalmente se usaba como abrasivo [6] .

Históricamente, el primer uso del carburo de silicio fue como abrasivo. A esto le siguieron las aplicaciones en dispositivos electrónicos. A principios del siglo XX, el carburo de silicio se utilizó como detector en los primeros receptores de radio [7] . En 1907, Henry Joseph Round creó el primer LED aplicando voltaje a los cristales de SiC y observando la radiación amarilla, verde y naranja en el cátodo . Estos experimentos fueron repetidos por O. V. Losev en la URSS en 1923 [8] .

Formas de estar en la naturaleza

La moissanita de carburo de silicio natural se puede encontrar sólo en cantidades insignificantes en algunos tipos de meteoritos y en depósitos de corindón y kimberlita . Casi todo el carburo de silicio que se vende en el mundo, incluso en forma de moissanita, es sintético. La moissanita natural fue descubierta por primera vez en 1893 como pequeñas inclusiones laminares hexagonales en el meteorito Canyon Diablo en Arizona por Ferdinand Henri Moissan , de quien se nombró el mineral en 1905 [9] . La investigación de Moissan sobre el origen natural del carburo de silicio fue inicialmente controvertida porque su muestra podría haber sido contaminada con virutas de carburo de silicio de una sierra (las sierras ya contenían esta sustancia en ese momento) [10] .

Aunque el carburo de silicio es raro en la Tierra, está ampliamente distribuido en el espacio . Se encuentra en nubes de polvo alrededor de estrellas ricas en carbono y es abundante en meteoritos prístinos e inalterados (casi exclusivamente en la forma polimórfica beta ). Un análisis de granos de carburo de silicio encontrados en el meteorito de condrita carbonácea Murchison mostró una relación isotópica anómala de carbono y silicio, lo que indica el origen de esta sustancia fuera del sistema solar : el 99% de los granos de SiC se formaron cerca de estrellas ricas en carbono pertenecientes al rama gigante asintótica [11] . El carburo de silicio a menudo se puede detectar alrededor de tales estrellas en sus espectros IR [12] .

Producción

Debido a la rareza de la moissanita en la naturaleza, el carburo de silicio suele ser de origen artificial. El método de producción más simple es la sinterización de sílice con carbón en un horno eléctrico de grafito Acheson a una temperatura alta de 1600–2500 °C:

La pureza del carburo de silicio formado en el horno Acheson depende de la distancia a la resistencia de grafito en el elemento calefactor .

Los cristales de alta pureza incoloros, de color amarillo pálido y verde son los más cercanos a la resistencia. A mayor distancia de la resistencia, el color cambia a azul o negro debido a las impurezas. Los contaminantes suelen ser nitrógeno y aluminio, afectan la conductividad eléctrica del material resultante [13] .

El carburo de silicio puro se puede obtener utilizando el llamado proceso Lely [14] , en el que el SiC en polvo se sublima en una atmósfera de argón a 2500 °C y se deposita sobre un sustrato más frío en forma de monocristales en escamas de hasta 2 × 2 cm de tamaño Este proceso proporciona monocristales de alta calidad resultantes del calentamiento rápido a altas temperaturas y que consisten principalmente en la fase 6H-SiC. Un proceso Lely mejorado que implica el calentamiento por inducción en crisoles de grafito produce monocristales aún más grandes, de hasta 10 cm de diámetro [15] . El SiC cúbico, por regla general, se cultiva mediante un proceso más costoso: la deposición química de vapor [13] [16] .

El carburo de silicio puro también se puede obtener por descomposición térmica del polímero polimetilsilano (SiCH 3 ) n , en atmósfera de gas inerte a bajas temperaturas. Con respecto al proceso de CVD , el método de pirólisis es más conveniente, ya que se puede formar un objeto de cualquier forma a partir del polímero antes de convertirlo en cerámica [17] [18] [19] [20] .

Estructura y propiedades

Se conocen aproximadamente 250 formas cristalinas de carburo de silicio [21] . El polimorfismo de SiC se caracteriza por un gran número de estructuras cristalinas similares, denominadas politipos. Son variaciones de un mismo compuesto químico que son idénticos en dos dimensiones pero difieren en una tercera. Por lo tanto, pueden considerarse como capas apiladas en una pila en una secuencia determinada [22] .

El carburo de silicio alfa (α-SiC) es el polimorfo más común . Esta modificación se forma a temperaturas superiores a 1700 °C y tiene una red hexagonal , una estructura cristalina tipo wurtzita .

La modificación beta (β-SiC), con una estructura cristalina tipo blenda de zinc (análoga a la estructura del diamante ), se forma a temperaturas inferiores a 1700 °C [23] . Hasta hace poco, la forma beta tenía relativamente poco uso comercial, pero ahora, debido a su uso como catalizadores heterogéneos, el interés por ella va en aumento. Calentar la forma beta a temperaturas superiores a 1700°C puede conducir a una transición gradual de la forma beta cúbica a las formas hexagonal (2N, 4N, 6N, 8N) y rómbica (15R). [24] Con un aumento en la temperatura y el tiempo del proceso, todas las formas resultantes finalmente pasan al politipo alfa hexagonal 6H. [25]

Propiedades de los principales politipos de carburo de silicio [26] [27]
politipo 3C(β) 4H 6H(a)
Estructura cristalina Gancho de zinc (cúbico) Hexagonal Hexagonal
grupo espacial
símbolo de Pearson
Constantes de red (Å)
Densidad (g/cm³) 3.21 3.21 3.21
Brecha de banda (eV) 2.36 3.23 3.05
MOS (GPa) 250 220 220
Conductividad térmica (W/(cm·K)) 3.6 3.7 4.9

El carburo de silicio puro es incoloro. Sus tonalidades de marrón a negro se asocian con impurezas de hierro . El brillo iridiscente de los cristales se debe a que, al entrar en contacto con el aire, se forma una película de dióxido de silicio en su superficie , lo que conduce a la pasivación de la capa exterior.

El carburo de silicio es una sustancia química altamente inerte: prácticamente no interactúa con la mayoría de los ácidos, a excepción de los ácidos fluorhídrico concentrado (fluorhídrico), nítrico y ortofosfórico . Capaz de soportar el calentamiento exterior hasta temperaturas de alrededor de 1500 °C. El carburo de silicio no se funde a ninguna presión conocida, pero es capaz de sublimarse a temperaturas superiores a 1700 °C. La alta estabilidad térmica del carburo de silicio lo hace adecuado para fabricar rodamientos y piezas de equipos para hornos de alta temperatura.

Existe un gran interés en el uso de esta sustancia como material semiconductor en la electrónica, donde la alta conductividad térmica , el alto voltaje de ruptura y la alta densidad de corriente eléctrica lo convierten en un material prometedor para dispositivos de alta potencia [28] , incluida la creación de alta potencia. LED. El carburo de silicio tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo (4,0⋅10 −6 K) y, en un rango de temperatura de funcionamiento bastante amplio, no experimenta transiciones de fase (incluidas las transiciones de fase de segundo orden), lo que puede causar la destrucción de monocristales . 13] .

Conductividad eléctrica

El carburo de silicio es un semiconductor cuyo tipo de conductividad depende de las impurezas. La conductividad de tipo n se obtiene dopando con nitrógeno o fósforo , y la de tipo p , con aluminio , boro , galio o berilio [3] . La conductividad metálica se logró dopando fuertemente con boro , aluminio y nitrógeno .

Se encontró superconductividad en los politipos 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B y 6H-SiC:B a la misma temperatura, 1,5 K [29] .

Propiedades físicas

El carburo de silicio es una sustancia dura y refractaria. La red cristalina es similar a la de un diamante. es un semiconductor . [treinta]

Propiedades químicas

El carburo de silicio es el único compuesto binario formado por los elementos del Grupo IV de la Tabla Periódica de Elementos de D. I. Mendeleev . Según el tipo de enlace químico, el carburo de silicio pertenece a los cristales covalentes. La parte del enlace iónico debido a alguna diferencia en la electronegatividad de los átomos de Si y C no supera el 10-12%. La energía de enlace covalente entre los átomos de carbono y silicio en los cristales de SiC es casi tres veces mayor que la energía de enlace entre los átomos en los cristales de silicio. Debido a los fuertes enlaces químicos, el carburo de silicio se destaca entre otros materiales por su alta resistencia química y a la radiación, estabilidad de temperatura de las propiedades físicas, alta resistencia mecánica y alta dureza. En una atmósfera inerte, el carburo de silicio se descompone solo a temperaturas muy altas:

El vapor altamente sobrecalentado descompone el carburo de silicio:

Los ácidos concentrados y sus mezclas disuelven el carburo de silicio:

En presencia de oxígeno, los álcalis disuelven el carburo de silicio:

Cuando se calienta, reacciona con el oxígeno :

con halógenos : con nitrógeno , formando nitruro de silicio : con metales activos: y sus peróxidos :

Aplicación

Herramientas abrasivas y de corte

En el taller de corte moderno , el carburo de silicio es un abrasivo popular debido a su resistencia y bajo costo. En la industria manufacturera, debido a su alta dureza, se utiliza en aplicaciones abrasivas como esmerilado , bruñido , corte por chorro de agua y arenado . Las partículas de carburo de silicio se laminan sobre papel para crear un papel de lija [33] .

Las suspensiones de polvos finos de carburo de silicio en aceite, glicerina o etilenglicol se utilizan en el proceso de corte con alambre de monocristales semiconductores en obleas.

En 1982, se descubrió accidentalmente un compuesto formado por óxido de aluminio y carburo de silicio, cuyos cristales crecen en forma de hilos muy finos [34] .

Materiales estructurales

El carburo de silicio, junto con el carburo de tungsteno y otros materiales resistentes al desgaste, se utiliza para crear sellos mecánicos finales .

En las décadas de 1980 y 1990, el carburo de silicio se exploró en varios programas de investigación y desarrollo de turbinas de gas de alta temperatura en EE. UU., Japón y Europa. Se planificó que los componentes de carburo de silicio desarrollados reemplazarían las toberas y los álabes de turbina de superaleación de níquel . Sin embargo, ninguno de estos proyectos condujo a la producción industrial, principalmente debido a la baja resistencia al impacto y la baja tenacidad a la fractura del carburo de silicio [35] .

Al igual que otros materiales cerámicos de alta dureza ( óxido de aluminio y carburo de boro ), el carburo de silicio se utiliza como componente de armaduras compuestas para proteger armas y equipos militares, así como también como elemento integral de armaduras organoplásticas/cerámicas en capas para chalecos antibalas. El chaleco antibalas " Piel de dragón " de Pinnacle Armor utiliza discos de carburo de silicio [36] .

Partes automotrices

El silicio infiltrado en el material compuesto carbono-carbono se utiliza para producir frenos de disco "cerámicos" de alta calidad , ya que es capaz de soportar temperaturas extremas. El silicio reacciona con el grafito en el "compuesto carbono-carbono" para convertirse en carburo de silicio reforzado con fibra de carbono (C/SiC). Los discos hechos de este material se utilizan en algunos autos deportivos, incluidos el Porsche Carrera GT , Bugatti Veyron , Chevrolet Corvette ZR1 , Bentley , Ferrari , Lamborghini [37] . El carburo de silicio también se utiliza en formas sinterizadas en filtros de partículas diésel [38] . [ aclarar ]

Ingeniería electrónica y eléctrica

Los primeros dispositivos eléctricos de SiC fueron elementos no lineales : varistores y descargadores de válvulas (ver también: tirit , vilit , latin , silit ) para proteger las instalaciones eléctricas de sobretensiones . El carburo de silicio se utiliza en pararrayos en forma de material vilite, una mezcla de SiC y un aglutinante. El varistor tiene una alta resistencia hasta que el voltaje a través de él alcanza un cierto valor de umbral VT , después de lo cual su resistencia cae a un nivel más bajo y mantiene este valor hasta que el voltaje aplicado cae por debajo de VT [39] .

Dispositivos electrónicos

El carburo de silicio se utiliza en diodos Schottky ultrarrápidos de alto voltaje , transistores NMOS y tiristores de alta temperatura [40] . En comparación con los instrumentos de arseniuro de galio y silicio , los instrumentos de carburo de silicio tienen las siguientes ventajas:

De las casi doscientas cincuenta modificaciones del carburo de silicio, solo dos se utilizan en dispositivos semiconductores: 4H-SiC y 6H-SiC .

Los problemas con la interfaz de elementos basados ​​en dióxido de silicio dificultan el desarrollo de transistores n-MOS e IGBT basados ​​en carburo de silicio. Otro problema es que el propio SiC se descompone en campos eléctricos elevados debido a la formación de cadenas de fallas apiladas, pero este problema puede resolverse muy pronto [41] .

La historia de los LED de SiC es bastante notable: por primera vez, H. Round descubrió la luminiscencia en SiC en 1907. Los primeros LED comerciales también se basaron en carburo de silicio. Los LED amarillos de 3C-SiC se fabricaron en la URSS en la década de 1970 [42] y los azules (de 6H-SiC) en todo el mundo en la década de 1980 [43] . La producción pronto se detuvo porque el nitruro de galio mostró emisiones de 10 a 100 veces más brillantes. Esta diferencia de eficiencia se debe a la banda prohibida indirecta desfavorable del SiC, mientras que el nitruro de galio tiene una banda prohibida directa que aumenta la intensidad luminosa. Sin embargo, el SiC sigue siendo uno de los componentes importantes de los LED: es un sustrato popular para el cultivo de dispositivos de nitruro de galio y también sirve como disipador de calor en los LED de alta potencia [43] .

Astronomía y óptica de precisión

La rigidez, la alta conductividad térmica y el bajo coeficiente de expansión térmica hacen del carburo de silicio un material termoestable en una amplia gama de temperaturas de funcionamiento. Esto provoca el uso generalizado de matrices de carburo de silicio para la fabricación de elementos de espejo en diversos sistemas ópticos , por ejemplo, en telescopios astronómicos o en sistemas de transmisión de energía mediante radiación láser. Los avances en tecnología ( deposición química de vapor ) hacen posible crear discos de carburo de silicio policristalino de hasta 3,5 metros de diámetro. Los espacios en blanco de espejo se pueden formar mediante una variedad de métodos, incluido el prensado a alta presión de polvo de carburo de silicio puro y fino. Varios telescopios, como Gaia , ya están equipados con ópticas de carburo de silicio recubiertas de plata [44] [45] .

Pirometría

Las fibras de carburo de silicio se utilizan para medir la temperatura de los gases mediante un método óptico llamado pirometría de filamento fino. Al medir, se introducen filamentos delgados (diámetro 15 µm) de carburo de silicio en la zona de medición. Las fibras prácticamente no tienen efecto sobre el proceso de combustión, y su temperatura es cercana a la de la llama. Este método se puede utilizar para medir temperaturas en el rango de 800 a 2500 K [46] [47] .

Elementos de calefacción

La primera mención del uso de carburo de silicio para la fabricación de elementos calefactores se remonta a principios del siglo XX, cuando los fabricaba The Carborundum Company en EE. UU. y EKL en Berlín . .

Actualmente, el carburo de silicio es uno de los materiales típicos para la fabricación de elementos calefactores capaces de operar a temperaturas de hasta 1400 °C en el aire y hasta 2000 °C en un ambiente neutro o reductor. que es notablemente más alto que lo que está disponible para muchos calentadores de metal .

Los elementos calefactores de carburo de silicio se utilizan en la fusión de metales no ferrosos y vidrio , en el tratamiento térmico de metales , vidrio flotado , en la producción de cerámica , componentes electrónicos, etc. [48]

Energía nuclear

Debido a su alta resistencia a factores adversos externos, incluidos los naturales, alta resistencia y dureza, bajo coeficiente de expansión térmica y bajo coeficiente de difusión de impurezas y productos de fisión, el carburo de silicio sinterizado por reacción ha encontrado aplicación en la energía nuclear [49] .

El carburo de silicio, junto con otros materiales, se utiliza como capa de un revestimiento isotrópico triestructural para elementos de combustible nuclear en reactores de alta temperatura, incluidos los reactores refrigerados por gas.

Los recipientes de carburo de silicio están hechos para el almacenamiento a largo plazo y la eliminación de desechos nucleares.

Joyería

Como piedra preciosa, el carburo de silicio se usa en joyería: se llama "moissanite sintético" o simplemente "moissanite". La moissanita es similar al diamante: es transparente y dura (9-9,5 en la escala de Mohs , frente a 10 del diamante), con un índice de refracción de 2,65-2,69 (frente a 2,42 del diamante ).

Moissanite tiene una estructura un poco más compleja que la zirconia cúbica normal . A diferencia del diamante, la moissanita puede tener una fuerte birrefringencia . Esta cualidad es deseable en algunos diseños ópticos, pero no en las piedras preciosas. Por esta razón, las gemas de moissanita se cortan a lo largo del eje óptico del cristal para minimizar el efecto de birrefringencia. Moissanite tiene una densidad más baja de 3,21 g/cm³ (frente a 3,53 g/cm³ del diamante ) y es mucho más resistente al calor. El resultado es una piedra de alto brillo mineral , con aristas claras y buena resistencia a las influencias externas. A diferencia del diamante, que arde a 800°C, la moissanita permanece intacta hasta los 1800°C (a modo de comparación: 1064°C es el punto de fusión del oro puro ). La moissanita se ha vuelto popular como sustituto del diamante y puede confundirse con el diamante ya que su conductividad térmica es mucho más cercana a la del diamante que cualquier otro sustituto del diamante. Una piedra preciosa se puede distinguir de un diamante por su birrefringencia y muy poca fluorescencia verde o amarilla bajo la luz ultravioleta [50] .

Producción de acero

El carburo de silicio actúa como combustible para fabricar acero en la industria de convertidores . Es más limpio que el carbón , lo que reduce los residuos de producción. También se puede utilizar para aumentar la temperatura y controlar el carbón . El uso de carburo de silicio cuesta menos y permite la producción de acero limpio debido a los bajos niveles de oligoelementos en comparación con la combinación de ferrosilicio y carbono [51] .

Catalizador

La resistencia natural del carburo de silicio a la oxidación, así como el descubrimiento de nuevas formas de sintetizar la forma cúbica de β-SiC con una mayor área superficial, genera un gran interés en utilizarlo como catalizador heterogéneo . Esta forma ya se ha utilizado como catalizador en la oxidación de hidrocarburos como el n-butano , el anhídrido maleico [52] [53] .

Producción de grafeno

El carburo de silicio se utiliza para producir grafeno mediante grafitización a altas temperaturas. Esta producción se considera como uno de los métodos prometedores para la síntesis de grafeno a gran escala para aplicaciones prácticas [54] [55] . La alta temperatura (2830°C como arriba en la reacción) hace que el carburo de silicio se descomponga. El silicio, como elemento más volátil, abandona las capas cercanas a la superficie, dejando grafeno mono o multicapa, el inferior de los cuales está fuertemente asociado con el cristal a granel. Como material de partida se utilizan monocristales de 6H-SiC(0001), en cuya superficie se formaron terrazas de grafeno como resultado del tratamiento térmico con tamaños de aproximadamente 1 micra, separados por regiones con varias capas [56] .

Aplicaciones en la construcción

Se puede utilizar como fibra en hormigón reforzado con fibra (similar a la fibra de basalto ) [57] .

Véase también

Notas

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