PRODUCCION DE CARBURO DE SILICIO UTILIZANDO MICROONDAS COMO FUENTE DEENERGIA

Juan Aguilar, Javier Rodríguez

Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y EléctricaApartado Postal 076"F", Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, N.L. CP. 66450, MéxicoTel. (52+8) 329-40-20, Fax. (52+8) 376-45-14, (52+8) 332-09-04Correo electrónico: aaguilar@uanl.mx

RESUMEN

En este trabajo se describen algunos de los resultados de un estudio sobre la producción de carburo de silicioutilizando microondas como fuente de energía. Las pruebas se llevaron a cabo en una cavidad multimodo en laque se colocó una mezcla de grafito y óxido de silicio. La energía fue suministrada por un magnetrónoperando a 2.45 GHz a una potencia máxima de 2000 Watts. Las muestras obtenidas fueron analizadasmediante microscopía electrónica de barrido y difracción de rayos X, encontrándose elementos característicosdel carburo de silicio. El uso de microondas permite obtener SiC-β partiendo de sílice y grafito en lugar desilicio metálico.

ABSTRACTResults from an study regarding with the production of silicon carbide by means of microwaves as an energysource are described in this work. Tests were conducted in a multimode cavity in which a mixture of graphiteand silicon oxide was placed. Energy was supplied with a magnetron operating at 2.45 GHz and a poweroutput up to 2000 Watts. Obtained samples were analyzed by means of electron microscopy and X raydiffraction. The resultant product showed an important formation of this product. Microwave applicationallows producing β-SiC from silicon oxide and graphite rather than metallic silicon.

INTRODUCTIONUna de las propiedades más importantes de los materiales cerámicos es que mantienen sus propiedadesestructurales a altas temperaturas. Normalmente presentan alto punto de fusión, lo que dificulta su procesadoya que las temperaturas que se deben alcanzar son altas. El carburo de silicio se puede encontrarocasionalmente en meteoritos, pero no existen depósitos extensos en la tierra de este material y por eso sebusca sintetizarlo a partir de otros materiales. Este material se produce comúnmente mediante reduccióncarbotérmica de óxido de silicio de alta pureza, utilizando carbón libre de cenizas y antracita (usualmentecoke) en un horno de arco eléctrico (Proceso Acheson) o bien mediante carburización de silicio. Dado eldesarrollo de la tecnología de microondas, ha surgido cierto interés en la comunidad científica sobre laposibilidad de llevar a cabo procesos de esta naturaleza utilizando microondas. Hay todavía muchasdiscusiones sobre los mecanismos que gobiernan la absorción de la energía de las microondas por parte delmaterial, los más probables es que el calentamiento se deba a una combinación de mecanismos tales comopérdidas dipolares, salto iónico y efecto ohmico [1]. Si los cerámicos toman suficiente energía como para quese lleve a cabo un proceso, entonces sería posible producir materiales que por ahora se producen en hornos dearco eléctrico. El objetivo de este trabajo se enfoca en la producción de carburo de silicio mediantemicroondas, presentando un resumen de los resultados de las pruebas realizadas a temperaturas alrededor delos 2000°C, la cual aunque puede ser considerada alta, es menor que la que se encuentra en los hornos de arcoeléctrico.

CARBURO DE SILICIOLos carburos están clasificados como cerámicos avanzados, tienen alto punto de fusión y son extremadamenteduros por lo que resultan importantes desde el punto de vista de la ingeniería. Las aplicaciones principales deeste material son en abrasivos, herramientas de corte de alta dureza y como refuerzo en materialescompuestos. También se utiliza como recubrimiento por su alta resistencia al desgaste. En cuanto a suspropiedades refractarias se emplea para fabricar crisoles. Además de estas propiedades estructurales existenotras funcionales mediante la adición de otros elementos. [2, 3 y 4].El carburo de silicio fue sintetizado por Acheson en 1891 [5] calentando arcilla y carbón en un horno de arcoeléctrico a 1600°C. La idea original era obtener diamantes artificiales, pero durante el enfriamiento lo que seformó fue carburo de silicio (SiC), al que se le denominó “Carborondum”, porque se pensó que era uncompuesto de alúmina. Este proceso se encuentra aún en uso, aunque hay nuevas alternativas en desarrollo[2], algunas bastante novedosas como es la fabricación de fibras a partir de SiO obtenido de SiO2.[6]. En estaúltima se presenta una aproximación tecnológica que utiliza microondas. El enlace químico entre el carbono yel silicio es principalmente coovalente y se puede encontrar en dos formas cristalinas, SiC-β a bajastemperaturas y SiC-α a altas. Tiene una estructura tetraedral que forma capas atómicas dobles, una de silico yla otra de carbono. La manera en que estas capas se apilan da origen a diferentes estructuras. La más común escúbica para el SiC-β, todas las demás estructuras pertenecen al SiC-α [7] y hay uno hexagonal designadocomo 6H. En general las diferencias en el SiC-α corresponden a cambios en la secuencia de apilamiento. Enlas figuras 1, 2 y 3 se muestran las estructuras principales que se mencionan en este trabajo, siendo la másimportante la cúbica, que es el que se obtuvo en esta investigación.

Figura 1. Sistema cúbico del carburo de silicio(29-1129) a=4.349Å.[8], C-4 y Si+4.

Figura 2. Sistema triclínico del carburo de silicio(29-1127) a=3.081, c=15.117Å [8], C-4 y Si+4.

Figura 3. Sistema triclínico del carburo de silicio(29-1131) a=3.073, c=10.05Å [8], C0 y Si0.

PRODUCCION DE CARBURO DE SILICIOLa producción de carburo de silicio puede serdescrita como una reacción en la cual el óxido desilicio se reduce con grafito y se da una sustitucióndel oxígeno por el carbono. La reacción puede serdescrita como:

SiO2 + 3C = SiC + 2CO

Esta reacción endotérmica requiere alrededor de528 KJ/mol y tiene lugar a temperaturas entre los1600 y 2500°C. Para completar la reacción serequieren más de 36 horas. Este procesoproporciona una mezcla de SiC α y β. Aunquenormalmente hay una mayor proporción de SiC-α.

Otro medio para producir SiC es mediante la carburización de silicio, la cual es ligeramente exotérmica y unavez que se ha suministrado la energía para iniciar esta reacción se puede mantener por sí misma. Dado de queindependientemente de la ruta que se siga, es necesario se suministre energía al seno del sistema para que elproceso, en este caso formación de SiC se lleve a cabo. Revisando las formas en las que se podría suministrarla energía a un sistema de esta naturaleza se tiene que el horno de arco eléctrico es bastante bueno paraalcanzar altas temperaturas en materiales conductores. El calentamiento mediante fuego es lo más simpleaunque se encuentra limitado en cuanto a la temperatura que se alcanza. El uso de microondas es un casoespecial en que la absorción de energía depende fuertemente de las propiedades del material, principalmentesu permitividad. Si el cerámico es transparente a las microondas entonces este material no se calentaráindependientemente del tiempo que permanezca expuesto a este campo, en cambio para los materiales que sonbuenos absorbedores si se tiene suficiente energía como para llevar a cabo un proceso. Ha sido aceptado quelos cerámicos son transparentes a las microondas, por lo que de paso se admite que no son buenos candidatospara ser procesados mediante esta técnica. Sin embargo, algunos materiales transparentes, tales como laAl2O3, han sido sinterizados en ciertas condiciones bajo campos de microondas [9]. Además, muchosmateriales mejoran su capacidad para absorber microondas cuando llegan a alcanzar, en ocasiones mediantecalentamiento auxiliar, temperaturas por encima de los 500°C.Una vez que se han dado las condiciones termodinámicas para que el óxido de silicio y el carbono reaccioneny formen carburo de silicio se tienen que seguir los posibles mecanismos. Si la reacción tiene lugar en estadosólido, la primera etapa de la reacción sería la formación de un núcleo de SiC, esta nucleación es difícil por lasdiferencias estructurales entre los reactivos y los productos, por lo que se hace necesaria una granreorganización atómica. Aunque el SiC tiene una estructura que muestra diferencias y semejanzas con el SiO2and C. Dado que estas restricciones son independientes de la manera en que se suministre la energía, es desuponer que si se logran alcanzar temperaturas del orden de los 1600°C utilizando microondas se debe obtenerel SiC, tal y como ocurre en los procesos convencionales.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALLas pruebas para producir carburo de silicio fueron llevadas a cabo en una cavidad multimodo utilizando unafuente de microondas operando a 2.45 GHz y hasta 2000 Watts de salida. Los reactivos SiO2 (80 μm) y C (50μm) fueron mezclados perfectamente para tener un contacto íntimo entre las partículas. La relación SiO2:Cutilizada fue la estequiométrica (1:3 molar). En pruebas previas se encontró que estos materiales son buenosabsorbedores de microondas aun a baja temperatura, así que la muestra alcanza la temperatura necesaria paraque se lleve a cabo el proceso. El arreglo experimental se presenta en la figura 4, la temperatura fue medidamediante pirometría óptica a través de una malla que se encontraba en el frente de la cavidad y que permitíaobservar la muestra sin que hubiera fugas de radiación. La mezcla se colocó dentro de un crisol aisladotérmicamente, que a su vez se colocó a su vez dentro de la cavidad (figura 5) en un sitio en que se hadeterminado que el campo eléctrico es máximo. El crisol es de alúmina y aunque es capaz de absorber energíapor encima de los 600°C, los resultados observados en el producto formado no se pueden explicar mediante

simple conducción. Las mezclas fueron expuestas a las microondas por tiempos que iban desde 10 hasta 20minutos, limitados únicamente por el sobrecalentamiento de la cavidad, y posteriormente fueron analizadas.Las condiciones de las pruebas de este trabajo están listadas en la tabla I.

Figura 4. Esquema del arreglo experimental utilizado en este trabajo.

Figura 5. Fotografía del crisol dentro de lacavidad, el aislante se ha retirado. El altura delcrisol es de 36 mm y la cavidad es de 25.4 cm X25.4 cm X 25.4 cm.

Tabla I. Condiciones experimentales de lasdiferentes pruebas para producir SiC

Prueba Potencia (Watts) Masa (gr)1 1000 102 2000 203 2000 104 2000 105 1000 106 1000 207 1000 208 2000 209 2000 25

RESULTADOS Y DISCUSIONUna vez que las corridas experimentales fueron completadas, las muestras fueron retiradas del crisol yanalizadas mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) y difracción de rayos X, la cual confirmó laformación de carburo de silicio.Las muestras obtenidas muestran uniformidad en el grado de reacción, y en todas las pruebas de más de 10minutos se encontró SiC. Los patrones de difracción corresponden a material que no se encontraba en contactocon las paredes del crisol para evitar posible contaminación, ninguno de los difractogramas muestra alúminapresente. La figura 6 muestra un ejemplo de la prueba 5. Un aspecto que se debe observar es que el productoes SiC-β (cúbico) que es el que se puede obtener mediante carburización de silicio, ya que este se realiza a

menor temperatura que el proceso Acheson. Aquí se resalta que no hay otros contaminantes y que el SiCpresente es de un solo tipo.

Figura 6. Patrón de difracción de rayos X de la muestra obtenida de la prueba 5.

La potencia aplicada no tuvo repercusión sobre el tipo de material formado, solamente influyó sobre la rapidezde calentamiento con respecto a la masa de reactivos presente.Un ejemplo de la uniformidad del tipo de carburo obtenido se puede apreciar al comparar el materialproducido en este trabajo con el que se obtiene comercialmente mediante la vía carburización (Figura 7). Aquíse observa la variedad de carburos presentes. Cabe aclarar que este material es adecuado para aplicacionesestructurales, sin embargo cuando se desean aprovechar las propiedades funcionales del carburo de silicio,como es en el caso en que se utiliza para resistencias eléctricas, se debe hacer una clasificación del material.Por otra parte las temperaturas alcanzadas se encuentran alrededor de los 2000°C, aunque en algunas pruebasen que la temperatura no superó los 1800°C también muestran carburo de silicio. La diferencia a altatemperatura está en el tamaño de grano. Un ejemplo de las temperaturas alcanzadas está en las figuras 8 y 9, laprimera corresponde a la prueba 8 mientras que la segunda gráfica corresponde a la prueba 9. Elcalentamiento de la alúmina no contribuye a que se alcancen estas altas temperaturas, ya que la máximatemperatura que este compuesto alcanza por si solo es de 1000 a 1200°C. [10]. La malla que estaba en elfrente de cavidad interfería con la medición por lo que se supone que las temperaturas alcanzadas son aún másaltas. Estimaciones en que se midió la temperatura con y sin malla inmediatamente después de concluir laprueba muestran que la temperatura real es del orden de 200°C mayor que la que se mide durante la pruebacon el pirómetro óptico. Dado que el pirómetro óptico solamente puede medir temperaturas por encima de los600°C, las figuras que muestran la evolución de temperatura no presentan datos por debajo de este rango. Loque si se puede apreciar es la rapidez con la que se llega a esa temperatura, en los casos que aquí se presentanse alcanzaron los 600°C en 20 segundos aproximadamente.

Figura 7. Patrón de difracción de rayos X de carburo de silicio comercial en el que se aprecian la variedad decarburos. El silicio presente pone en evidencia el origen del material, se trata de un proceso de carburizaciónde silicio. Como las redes son similares los picos se encuentran en algunos casos superpuestos.

Figura 8. Evolución de temperatura de la prueba 8.

Figura 9. Evolución de temperatura de la prueba 9.

La figura 10 muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido en la que se puede observar laestructura característica del carburo de silicio.

Figura 10. Imagen de microscopía electrónica de barrido en el que se aprecian los granos de SiC para laprueba 5.

CONCLUSIONEn este trabajo se confirma que el carburo de silicio puede ser producido utilizando microondas como fuentede energía. Las temperaturas alcanzadas exceden los 2000°C, por lo que la reacción se lleva a cabo totalmentey se comprueba la eficiencia en cuanto al suministro de energía al sistema. Se encuentra que el productoprincipal es SiC-β, es decir, que se puede utilizar sílice y grafito para obtener este carburo en lugar de partir desilicio metálico cuando se utilizan microondas como fuente de energía.

REFERENCIAS[1] Binner J., Materials World, 1993, 152.[2] William E., Lee D., Mark W. Ceramic microstructures property control by processing, Department of

Engineering Materials and Sorby Center for Electron Microscopy; Sheffield University, SheffieldUK, primera edición, 1994

[3] Enginnering Materials handbook, Ceramic and Glasses, ASM International 1991[4] Graham R. Development of an air to air heat exchanger with all ceramic internals. Ceramic in heat

exchangers , Advances in Ceramics, American Ceramic Society, Vol 14, 1985[5] Richerson W. Modern ceramics engineering, Ed. Marcel Dekker 1982.[6] Nixdfort R. Development of a commercial process for production of silicon carbide fibrils, Oak

Ridge National Laboratory, Reporte ORNL/sub/98-SU604, Abril 1999.[7] Enginnering property data of selected ceramics, Carbides, metals and ceramics information center,

Vol. 2 , Agosto 1979.[8] International Centre for Diffraction Data, 1997[9] Oda S., Balbaa I. and Barber B., (Microwave Processing of Materials II MRS, San Fco. CA, 1990,

391).[10] J.Aguilar, J.Pearce, Study of the thermal behavior of materials exposed to microwaves achieving

temperatures over 650ºC , 33rd Microwave Power Symposium, International Microwave PowerInstitute, Chicago, ILL. Jul. 1998, pp.47-50.

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan su gratitud al CONACYT y al PAICYT por su apoyo para la realización de este trabajo.