Características
Las características de la cerámica estructural de SiC se demuestran en la Tabla 1. Estas características se presentan para los materiales representados. Las variaciones pueden existir dentro de una forma dada dependiendo del fabricante. La figura 2 demuestra la tensión del SiC en función de temperatura. Sinterizado o sinterizado/HIP SiC es el mejor material para los usos en temperaturas sobre 1400 ºC y el densificado en fase liquida presenta el mejor funcionamiento a bajas temperaturas. La forma enlazada por reacción se utiliza sobre todo por su facilidad de fabricación y no por sus características mecánicas superiores.
Figura 2. Tensión en función de temperatura para estructuras de cerámica SiC representativas.
Modo de densificación del material |
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Propiedad | Enlazadopor reacción |
Alfa sinterizado |
Beta sinterizado |
por presión en caliente (Al2O3) |
Sinterizado (Y2O3) |
Densidad, kg/m3 | 3.1 |
3.1 |
3.0 |
3.3 |
3.2 |
Dureza, kg/mm2 | 1620 |
2800 |
2400 |
||
Resistencia a la torsión, MPa a 25ºC | 245 |
460 |
490 |
702 |
917 |
Módulo de Young, GPa | 383 |
410 |
372 |
446 |
|
Índice de Poisson, GPa | 0.24 |
0.14 |
0.16 |
0.17 |
|
Coeficiente de expansión térmica, x10-6/ºC | 4.8 |
4.02 |
4.4 |
4.6 |
|
Coeficiente de conductividad térmica,W/(mK) a 25ºC | 135 |
126 |
71 |
80 |
Tabla 1. Características de la cerámica del carburo del silicio
Las curvas de la rotura de SiC por stress se muestran en el cuadro 3. Todos los compuestos son resistentes a ruptura por servicio a elevadas temperaturas. Además, SiC demuestra una resistencia excepcional a la oxidación incluso en 1200 ºC como resultado de la formación de una capa superficial de la silicona protectora de la pureza elevada.
Fig. 3. Comportamiento de la ruptura por stress en aire en 1200 ºC para la cerámica estructural de SiC: Por presión en caliente, enlazado por reacción, alfa sinterizado y beta sinterizado.
Las características del módulo elástico y de la expansión térmica son dadas por las características del cristal de SiC en sí mismo, y la conductividad térmica o la difusividad térmica de los carburos del silicio tiende a ser substancialmente más alta que las de la otra cerámica estructural. La difusividad térmica en función de la temperatura se muestra en el cuadro 4. Estos valores tienden a ser sensibles a la forma de carburo del silicio, pero todos los valores caen perceptiblemente conforme la temperatura aumenta. La combinación de un módulo elástico alto y moderado coeficiente de la expansión térmica convierte al SiC en susceptible al daño por choque térmico. La resistencia al choque térmico es perceptiblemente más baja que la del nitruro de silicio, pero más alta que la cerámica estructural del zirconia. El comportamiento ante el choque térmico es también muy dependiente de la aplicación. Por ejemplo, los cambios de temperatura muy rápidos pueden conducir a una preferencia del Si3N4 sobre SiC, mientras que para índices moderados del cambio de temperatura la alta conductividad térmica de SiC puede conducir a un funcionamiento mejor.
Fig. 4. Difusividad térmica de la cerámica estructural silicio-basada: (a) SiC enlazado por reacción; (b) SiC por presión en caliente y sinterizado; (c) Si3N4 por presión en caliente (MgO del 1%, el 8% Y2O3); (d) RS-Si3N4 (la densidad es 2.1-2.9 g/mL).
La resistencia a la fractura de SiC tiende a ser más baja que la de la otra cerámica estructural lo cual conduce a una cierta preocupación por el uso de SiC en ciertos motores de combustión, tales como rotores de turbina que puedan ser susceptibles al impacto de objetos extraños. El oxido de itrio SiC sinterizado en fase liquida es comparable a otra cerámica estructural en resistencia a la fractura. Las características de la abrasión y de la corrosión no se han medido tan extensivamente como otras características mecánicas. El desgaste y el coeficiente de medidas de la fricción han sido sobre todo específicos del uso, pero precisan la importancia de la preparación superficial y de la caracterización. Los resultados publicados de la abrasión demuestran buena resistencia a la abrasión angular de la partícula o de la mezcla. SiC enlazado por reacción tiende a ser el más susceptible al desgaste erosivo debido a desgaste preferencial de los granos libres conectados a la superficie del silicio. SiC enlazado por reacción también aparece mucho menos resistente a los ácidos, a los álcalis, y a los productos de alta temperatura de la combustión que el material sinterizado monofásico. En contacto con el sulfato de sodio, o escorias ácidas o básicas del carbón de la gasificación del carbón, SiC tiende a corroerse levemente en una reacción de picaduras. En reacciones básicas de la escoria del carbón a las temperaturas a partir de 1000 a 1300 ºC, la reacción implica la disolución de la capa protectora de la oxidación del silice seguida por la reacción con el Fe o el Ni para formar los silicatos de bajo punto de fusión. El carburo sinterizado del silicio también se ha demostrado que también se corroe a temperaturas elevadas en atmósferas que contenían hidrogeno. La reacción parece ser una descarburación del SiC, particularmente en los límites de grano, dando por resultado regiones ricas del silicio y un poco de polvillo radiactivo del grano. La corrosión de los vapores y de las partículas de cristal del silicato del sodio ha demostrado que SiC sinterizado y enlazado por reacción se corroe con la oxidación pasiva seguida por la disolución de la capa del óxido. El componente del silicio en SiC enlazado por reacción fue oxidado más rápidamente que la fase de SiC.
Aplicaciones
Los carburos del silicio se utilizan más para funcionamiento con desgaste a baja temperatura que para el comportamiento de alta temperatura. Los usos son tales como inyectores de chorro de arena, sellos automotores de la bomba de agua, cojinetes, componentes de la bomba, y dados de extrusión que utilizan la alta dureza, resistencia de la abrasión, y resistencia a la corrosión del carburo del silicio . Los usos estructurales a elevada temperatura se extienden desde las gargantas del inyector del cohete hasta los rodillos del horno y la combinación de la alta conductividad térmica, de la dureza y de la estabilidad a alta temperatura hace que se fabriquen los componentes de los tubos de intercambiadores de calor de carburo del silicio.
La mayoría de los usos del motor implican componentes auxiliares tales como rotores del turbo, piezas del tren de válvula para reducir pérdidas por fricción, pernos de la muñeca del pistón, y compartimientos de precombustión. El uso de SiC para los pistones y los trazadores de líneas del cilindro se ha demostrado, pero la alta conductividad térmica hace difícil el uso de SiC frente otra cerámica estructural. Sin embargo, la altas conductividad térmica y dureza a las altas temperaturas hacen SiC una buena opción para los combustores. La tecnología bien desarrollada de la fabricación y un coste más bajo de la materia prima también han dado lugar al uso de SiC para muchos componentes inmóviles de la turbina de gas. Los rotores y las paletas de turbina de SiC también se han mostrado, pero las consideraciones de la dureza material han dado lugar a menudo a la selección de Si3N4.
Los usos futuros pueden implicar el uso de SiC como substratos para los chips de silicio, haciendo uso de la alta conductividad térmica de SiC. La baja densidad de los carburos del silicio puede también dar lugar a usos en espacio. Tal uso está en los espejos espaciales, haciendo uso del alto grado de pulido posible de la superficie de SiC denso.