Carburo de silicio: estructura química, propiedades y usos

¿Qué es el carburo de silicio?

El carburo de silicio es un sólido covalente formado por carbono y silicio. Es de gran dureza con valor de 9,0 a 10 en la escala de Mohs, y su fórmula química es SiC, lo que puede dar a pensar que el carbono está unido al silicio por un triple enlace covalente, con una carga positiva (+) en el Si y una carga negativa (-) en el carbono (⁺Si≡C^–).

En realidad, los enlaces en este compuesto son totalmente diferentes. Fue descubierto en 1824 por el químico sueco Jön Jacob Berzelius, mientras trataba de sintetizar diamantes. En 1893 el científico francés Henry Moissani descubrió un mineral cuya composición contenía carburo de silicio.

Este descubrimiento lo hizo mientras examinaba muestras de rocas del cráter de un meteorito en el Cañón del Diablo, EE. UU. Denominó a este mineral como moissanita. Por otro lado, Edward Goodrich Acheson (1894) creó un método para sintetizar carburo de silicio, haciendo reaccionar arenas o cuarzo de alta pureza con coque de petróleo.

Goodrich denominó carborundum (o carborundio) al producto obtenido y fundó una compañía para producir abrasivos.

Estructura química

La imagen superior ilustra la estructura cúbica y cristalina del carburo de silicio. Este arreglo es el mismo que el del diamante, a pesar de las diferencias de los radios atómicos entre el C y el Si.

Todos los enlaces son fuertemente covalentes y direccionales, a diferencia de los sólidos iónicos y sus interacciones electrostáticas.

El SiC forma tetraedros moleculares; esto es, todos los átomos están enlazados a otros cuatro. Estas unidades tetraédricas se unen entre sí por enlaces covalentes, adoptando estructuras cristalinas por capas.

Asimismo, estas capas tienen sus propios arreglos cristalinos, los cuales son de tres tipos: A, B y C.

Es decir, que una capa A es distinta a la B, y esta última a la C. Así, el cristal del SiC consiste en el apilamiento de una secuencia de capas, ocurriendo el fenómeno conocido como politipismo.

Por ejemplo, el politipo cúbico (semejante al del diamante) consiste en un apilamiento de capas ABC y, por lo tanto, tiene una estructura cristalina 3C.

Otros apilamientos de estas capas generan igualmente otras estructuras, entre estas politipos romboédricos y hexagonales. De hecho, las estructuras cristalinas del SiC terminan siendo un “desorden cristalino”.

La estructura hexagonal más simple para el SiC, la 2H (imagen superior), se forma como resultado del apilamiento de las capas con la secuencia ABABA… Después de cada dos capas la secuencia se repite, y de allí es de donde surge el número 2.

Propiedades del carburo de silicio

Propiedades generales

Masa molar

40,11 g/mol

Apariencia

Varía con el método de obtención y los materiales utilizados. Puede ser: amarillo, verde, azul negruzco o cristales iridiscentes.

Densidad

3,16 g/cm3

Punto de fusión

2830 ºC.

Índice de refracción

2,55.

Cristales

Hay polimorfismo: αSiC cristales hexagonales y βSiC cristales cúbicos.

Dureza

9 a 10 en la escala Mohs.

Resistencias a agentes químicos

Es resistente a la acción de los ácidos y álcalis fuerte. Además, el carburo de silicio es químicamente inerte.

Propiedades térmicas

• Alta conductividad térmica.
• Soporta grandes temperaturas.
• Conductividad térmica alta.
• Coeficiente de dilatación térmica lineal bajo, por lo que soporta grandes temperaturas con una baja expansión.
• Resistente al choque térmico.

Propiedades mecánicas

• Alta resistencia a la compresión.
• Resistente a la abrasión y a la corrosión.
• Es un material liviano de gran fortaleza y resistencia.
• Mantiene su resistencia elástica a altas temperaturas.

Propiedadeseléctricas

Es un semiconductor que puede cumplir sus funciones a temperaturas elevadas y voltajes extremos, con poca disipación de su potencia al campo eléctrico.

Usos del carburo de silicio

Como abrasivo

• El carburo de silicio es un semiconductor capaz de soportar grandes temperaturas, gradientes altos de voltaje o de campo eléctrico 8 veces más de lo que puede soportar el silicio. Por esto de utilidad en la construcción de diodos, transitores, supresores y dispositivos de microondas de alta energía.
• Con el compuesto se fabrican diodos emisores de luz (LED) y los detectores de los primeros radios (1907). Actualmente, el carburo de silicio ha sido sustituido en la fabricación de los bombillos LED por el nitruro de galio que emite una luz de 10 a 100 veces más brillante.
• En los sistemas eléctricos se usa el carburo de silicio como pararrayos en los sistemas de energía eléctrica, ya que pueden regular su resistencia regulando el voltaje a través de esta.

Bajo la forma de cerámicas estructuradas

• En un proceso conocido como sinterización, las partículas de carburo de silicios —así como las de los acompañantes— son calentadas a una temperatura más baja que la temperatura de fusión de esta mezcla. Así, aumenta la resistencia y la fuerza del objeto de cerámica, mediante la formación de fuertes enlaces entre las partículas.
• Las cerámicas estructurales del carburo de silicio han tenido una gama extensa de usos. Se utilizan en los frenos de disco y en los embragues de los vehículos automotores, en los filtros de partículas presentes en el diésel y como aditivo en aceites para reducir la fricción.
• Los usos de las cerámicas estructurales de carburo de silicio se han generalizado en las partes expuestas a altas temperaturas. Por ejemplo, este es el caso de la garganta de los inyectores de los cohetes y los rodillos de los hornos.
• La combinación de alta conductividad térmica, de la dureza y de la estabilidad a altas temperaturas hace que se fabriquen los componentes de los tubos de intercambiadores de calor con carburo de silicio.
• La cerámica estructural es usada en los inyectores de los chorros de arena, sellos automotores de las bombas de agua, cojinetes y dados de extrusión. También constituye el material de los crisoles, utilizados en la fundición de metales.
• Forma parte de los elementos calentadores que se usan en la fundición del vidrio y de los metales no ferrosos, así como en el tratamiento calórico de metales.

Otros usos

• Puede usarse en la medición de la temperatura de gases. En una técnica conocida como pirometría un filamento de carburo de silicio se calienta y emite una radiación que se correlaciona con la temperatura en una gama de 800-2500 ºK.
• Se usa en las plantas nucleares para evitar la fuga del material producido por fisión.
• En la producción de acero se utiliza como combustible.