En los últimos años, los semiconductores compuestos de carburo de silicio han recibido gran atención en la industria. Sin embargo, como material de alto rendimiento, el carburo de silicio solo se utiliza en una pequeña parte de los dispositivos electrónicos (diodos, dispositivos de potencia). También se emplea como abrasivo, material de corte, material estructural, material óptico, soporte de catalizadores, entre otros. Hoy, nos centraremos en las cerámicas de carburo de silicio, que ofrecen ventajas como estabilidad química, resistencia a altas temperaturas, al desgaste y a la corrosión, alta conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión térmica, baja densidad y alta resistencia mecánica. Se utilizan ampliamente en sectores como la maquinaria química, la energía y la protección ambiental, los semiconductores, la metalurgia, la defensa nacional y la industria militar.
carburo de silicio (SiC)Contiene silicio y carbono, y es un compuesto estructural típico de múltiples formas, que incluye principalmente dos formas cristalinas: α-SiC (tipo estable a altas temperaturas) y β-SiC (tipo estable a bajas temperaturas). Existen más de 200 tipos diferentes, entre los que destacan el 3C SiC de β-SiC y los 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC y 15R SiC de α-SiC.
Figura Estructura multicuerpo de SiC
Cuando la temperatura es inferior a 1600 ℃, el SiC existe en forma de β-SiC y puede prepararse a partir de una simple mezcla de silicio y carbono a unos 1450 ℃. Al superar los 1600 ℃, el β-SiC se transforma lentamente en diversos polimorfos de α-SiC. El SiC 4H se genera fácilmente a unos 2000 ℃; los polimorfos 6H y 15R requieren temperaturas superiores a 2100 ℃ para su fácil formación; el SiC 6H puede permanecer muy estable incluso a temperaturas superiores a 2200 ℃, lo que hace que se utilice ampliamente en aplicaciones industriales.
El carburo de silicio puro es un cristal incoloro y transparente, mientras que el carburo de silicio industrial puede ser incoloro, amarillo pálido, verde claro, verde oscuro, azul claro, azul oscuro o incluso negro, con niveles de transparencia decrecientes. La industria de abrasivos clasifica el carburo de silicio en dos tipos según su color: carburo de silicio negro y carburo de silicio verde. El carburo de silicio de color incoloro a verde oscuro se clasifica como carburo de silicio verde, mientras que el de color azul claro a negro se clasifica como carburo de silicio negro. Tanto el carburo de silicio negro como el verde son cristales hexagonales de carburo de silicio alfa (α-SiC), y el micropulver de carburo de silicio verde se utiliza generalmente como materia prima para la cerámica de carburo de silicio.
Rendimiento de cerámicas de carburo de silicio preparadas mediante diferentes procesos
Sin embargo, las cerámicas de carburo de silicio presentan la desventaja de una baja tenacidad a la fractura y una alta fragilidad. Por lo tanto, en los últimos años, han surgido sucesivamente cerámicas compuestas basadas en carburo de silicio, como las reforzadas con fibras (o whiskers), las reforzadas con dispersión heterogénea de partículas y las de materiales funcionales con gradiente, mejorando así la tenacidad y la resistencia de los materiales individuales.
Como material cerámico estructural de alto rendimiento y alta temperatura, las cerámicas de carburo de silicio se han aplicado cada vez más en hornos de alta temperatura, metalurgia del acero, petroquímica, electrónica mecánica, aeroespacial, energía y protección ambiental, energía nuclear, automóviles y otros campos.
Se prevé que en 2022 el mercado de cerámicas estructurales de carburo de silicio en China alcance los 18.200 millones de yuanes. Con la expansión de sus aplicaciones y el crecimiento de la demanda, se estima que este mercado llegará a los 29.600 millones de yuanes en 2025.
En el futuro, con la creciente penetración de los vehículos de nuevas energías, la energía, la industria, las comunicaciones y otros campos, así como los requisitos cada vez más estrictos de componentes mecánicos o electrónicos de alta precisión, alta resistencia al desgaste y alta fiabilidad en diversos campos, se espera que el tamaño del mercado de productos cerámicos de carburo de silicio continúe expandiéndose, entre los que los vehículos de nuevas energías y la energía fotovoltaica son áreas de desarrollo importantes.
Las cerámicas de carburo de silicio se utilizan en hornos cerámicos debido a sus excelentes propiedades mecánicas a altas temperaturas, su resistencia al fuego y su resistencia al choque térmico. Los hornos de rodillos se emplean principalmente para el secado, la sinterización y el tratamiento térmico de los materiales de electrodo positivo y negativo, así como de los electrolitos, de las baterías de iones de litio. Estos materiales son indispensables para los vehículos de nueva energía. Los soportes cerámicos de carburo de silicio para hornos son un componente clave, ya que mejoran la capacidad de producción y reducen significativamente el consumo de energía.
Los productos cerámicos de carburo de silicio también se utilizan ampliamente en diversos componentes de automoción. Además, los dispositivos de SiC se emplean principalmente en las PCU (unidades de control de potencia, como los convertidores CC/CC integrados) y las OBC (unidades de carga) de vehículos de nueva energía. Los dispositivos de SiC permiten reducir el peso y el volumen de las PCU, disminuir las pérdidas de conmutación y mejorar la temperatura de funcionamiento y la eficiencia del sistema. Asimismo, es posible aumentar la potencia de la unidad, simplificar la estructura del circuito, mejorar la densidad de potencia e incrementar la velocidad de carga durante la carga de la OBC. Actualmente, numerosas empresas automovilísticas de todo el mundo utilizan carburo de silicio en múltiples modelos, y su adopción a gran escala se ha convertido en una tendencia.
Cuando se utilizan cerámicas de carburo de silicio como materiales de soporte clave en el proceso de producción de células fotovoltaicas, los productos resultantes, como soportes, cajas y accesorios de tubería, presentan una buena estabilidad térmica, no se deforman a altas temperaturas y no generan contaminantes nocivos. Pueden sustituir a los soportes, cajas y accesorios de tubería de cuarzo de uso común, con importantes ventajas económicas.
Además, las perspectivas de mercado para los dispositivos de potencia fotovoltaicos de carburo de silicio son amplias. Los materiales de SiC presentan menor resistencia en estado activo, menor carga de puerta y menor carga de recuperación inversa. El uso de MOSFET de SiC, solos o combinados con diodos Schottky de SiC, en inversores fotovoltaicos puede aumentar la eficiencia de conversión del 96 % a más del 99 %, reducir las pérdidas de energía en más del 50 % y multiplicar por 50 la vida útil del equipo.
La síntesis de cerámicas de carburo de silicio se remonta a la década de 1890, cuando este material se utilizaba principalmente para la molienda mecánica y como material refractario. Con el desarrollo de la tecnología de producción, se han desarrollado ampliamente productos de SiC de alta tecnología, y los países de todo el mundo prestan cada vez más atención a la industrialización de cerámicas avanzadas. Ya no se conforman con la producción de cerámicas de carburo de silicio tradicionales. Las empresas que producen cerámicas de alta tecnología se están desarrollando con mayor rapidez, especialmente en los países desarrollados, donde este fenómeno es más significativo. Entre los principales fabricantes extranjeros se encuentran Saint Gobain, 3M, CeramTec, IBIDEN, Schunk, Narita Group, Toto Corporation, CoorsTek, Kyocera, Aszac, Japan Jingke Ceramics Co., Ltd., Japan Special Ceramics Co., Ltd. e IPS Ceramics, entre otros.
El desarrollo del carburo de silicio en China fue relativamente tardío en comparación con países desarrollados como Europa y América. Desde que se construyó el primer horno industrial para la fabricación de SiC en la Primera Fábrica de Muelas Rectificantes en junio de 1951, China comenzó a producir carburo de silicio. Los fabricantes nacionales de cerámica de carburo de silicio se concentran principalmente en la ciudad de Weifang, provincia de Shandong. Según los expertos, esto se debe a que las empresas mineras de carbón locales se enfrentan a la quiebra y buscan una transformación. Algunas empresas han importado equipos de Alemania para comenzar la investigación y la producción de carburo de silicio.ZPC es uno de los mayores fabricantes de carburo de silicio sinterizado por reacción.
Fecha de publicación: 9 de noviembre de 2024