Carburo de silicio Definición

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto cristalino duro, producido sintéticamente y ampliamente utilizado como material abrasivo y resistente al desgaste, en refractarios y aplicaciones cerámicas, además de ser el sustrato semiconductor de los diodos emisores de luz (LED).

Los semiconductores EFM también superaron a los semiconductores de silicio tradicionales en entornos de alto voltaje, como los que se encuentran en los dispositivos de alimentación de los vehículos eléctricos (VE), ofreciendo un rendimiento superior al minimizar las pérdidas de voltaje y corriente, así como al reducir el tamaño y el peso de los componentes esenciales de gestión de la batería.

Carburo de silicio

El carburo de silicio es un compuesto cerámico inerte formado por silicio y carbono. Con una dureza Mohs de 9, ocupa el tercer lugar tras el carburo de boro (9,5) y el diamante (10). El carburo de silicio tiene una gran durabilidad mecánica y es químicamente inerte, por lo que es perfecto para aplicaciones de protección de superficies duras, como las máquinas herramienta.

Los nanotubos de carbono puro contienen cuatro átomos de carbono dispuestos en cuatro tetraedros de carbono, unidos covalentemente por enlaces de silicio. Esta disposición permite el polimorfismo con diversas estructuras y fases cristalinas.

La estructura cristalina del SiC le confiere unas propiedades eléctricas superiores, incluidas las características de semiconductor de banda prohibida ancha (WBG), esenciales para las aplicaciones electrónicas. Una mayor brecha de banda permite a los electrones salir más rápidamente de su órbita, lo que se traduce en frecuencias más altas y operaciones más rápidas que con los dispositivos convencionales de silicio.

Como material de base, el silicio puede doparse con nitrógeno, fósforo, galio, boro y aluminio para producir semiconductores de tipo n. Además, los transistores sin silicio pueden reducir el coste y el consumo de energía hasta 40%.

El carburo de silicio (SiC) puede funcionar a temperaturas de hasta 300 grados centígrados, lo que lo convierte en un material excelente para aplicaciones en entornos de altas temperaturas, como los motores de vehículos eléctricos. El SiC puede eliminar la necesidad de sistemas de refrigeración activos que añaden peso, coste y complejidad, lo que se traduce en una mayor autonomía y tiempos de carga más rápidos para estos vehículos.

Semiconductor

El carburo de silicio es conocido desde hace tiempo por sus propiedades eléctricas únicas, que lo hacen muy útil en electrónica. Los semiconductores, que alternan entre actuar como conductores (como los cables eléctricos de cobre) y aislantes (aislantes poliméricos que cubren esos cables), constituyen los materiales semiconductores utilizados para construir circuitos integrados, componentes electrónicos discretos como diodos y transistores, que conducen la electricidad en determinadas condiciones; su conductividad puede incluso alterarse mediante estimulación por corrientes eléctricas, campos electromagnéticos o estimulación luminosa.

El carburo de silicio se distingue de los semiconductores tradicionales por tener una banda prohibida extremadamente ancha. Esto significa que requiere mucha más energía para mover los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción; por consiguiente, el carburo de silicio presenta pérdidas de potencia muy bajas, una cualidad inestimable cuando se utiliza para aplicaciones de alta tensión, como los inversores de tracción de vehículos eléctricos.

El carburo de silicio se utiliza desde hace mucho tiempo para diversos usos en la industria y el mundo académico, desde granallas y herramientas de carborundo para grabado hasta aplicaciones de ingeniería térmica, eléctrica y mecánica. Recientemente, sin embargo, la demanda se ha disparado debido a sus bajos índices de expansión térmica, su elevada relación resistencia/dureza y su capacidad para soportar entornos hostiles.

Cerámica

El silicio y el carbono se combinan para producir un atractivo material con excelentes propiedades mecánicas, químicas y térmicas. Presume de una dureza extrema -hasta el doble que el diamante en la escala de Mohs-, así como de una resistencia al choque térmico superior a la de otros materiales refractarios.

La cerámica es un material inorgánico, no metálico, extremadamente flexible cuando no está cocido, pero que se endurece considerablemente durante el proceso de cocción. La cerámica abarca varias categorías; por ejemplo:

Los materiales cerámicos se utilizan principalmente como refractarios, materiales inorgánicos que proporcionan resistencia contra el calor y el desgaste químico y la corrosión. Las cerámicas se presentan en todo tipo de formas y colores y se utilizan en todos los sectores. Entre los usos más importantes de la biocerámica están la protección contra incendios, los superconductores y la inducción de respuestas biológicas de las células. Las cerámicas bioactivas pueden serlo intrínsecamente o mediante tratamientos superficiales o rellenando los poros cerámicos con sustancias farmacéuticamente activas. El carburo de silicio se utiliza ampliamente en los discos de freno de los automóviles, que reducen significativamente la fricción y las emisiones al tiempo que soportan altas temperaturas sin necesidad de sistemas de refrigeración activos que añaden peso, complejidad y coste. Además, su uso constituye la base de muchos abrasivos y herramientas de corte.

Automoción

El carburo de silicio (SiC) es un material extremadamente duro que ocupa el noveno lugar en la escala de Mohs, entre la alúmina (9) y el diamante (10). El carburo de silicio fue sintetizado artificialmente por primera vez por el inventor estadounidense Edward Acheson en 1891 cuando intentaba fabricar diamantes artificiales, pero en su lugar descubrió pequeños cristales negros de SiC en su fusión de carbono y alúmina calentada eléctricamente que se molieron en forma de polvo para abrasivos industriales. El químico Henri Moissan, ganador del Premio Nobel, observó el compuesto de forma natural como un mineral transparente llamado moissanita en 1905.

La estructura atómica única del carburo de silicio y sus propiedades semiconductoras lo hacen ideal para aplicaciones electrónicas como diodos, transistores y dispositivos de potencia. Tiene una resistencia a la tensión diez veces mayor que el silicio tradicional y rinde incluso mejor en sistemas que superan los 1000 V, lo que lo convierte en el material ideal para satisfacer las demandas de alta tensión asociadas a las estaciones de carga de vehículos eléctricos (VE) y los sistemas de gestión de la energía.

El SiC puede mejorar significativamente la eficiencia de la conmutación, al tiempo que contribuye a reducir el tamaño y el peso de componentes esenciales de los vehículos eléctricos, como los convertidores CC-CC, los cargadores de a bordo y los sistemas de gestión de baterías. Estos avances podrían acercar la conducción sin emisiones a la adopción masiva. El análisis de GlobalData identifica más de 10 empresas -desde proveedores de tecnología y empresas de automoción consolidadas hasta nuevas empresas emergentes- que utilizan carburo de silicio para soluciones innovadoras.