¿Por qué utilizar carburo de silicio negro en paneles aislantes?

¿Por qué utilizar carburo de silicio negro en paneles aislantes?

El SiC negro se elige por su combinación única de propiedades que abordan directamente los desafíos de un entorno de alta temperatura.

1. Resistencia excepcional al choque térmico

Esta es la razón más importante. El SiC tiene una  conductividad térmica muy alta  (aproximadamente 120-140 W/m·K), lo que podría parecer contradictorio para un panel aislante. Sin embargo, al usarse como agregado dentro de una matriz porosa y aislante, actúa como una red de «autopistas térmicas».

• Mecanismo:  Cuando una cara de la placa se calienta rápidamente, las partículas de SiC distribuyen rápidamente la energía térmica por todo el material, evitando la acumulación de gradientes térmicos severos y las tensiones resultantes que causan grietas. La matriz porosa circundante mantiene el valor aislante general.

2. Alta resistencia mecánica y dureza.

• El SiC es uno de los materiales más duros disponibles (dureza Mohs de ~9,5). Su incorporación aumenta significativamente las características de la placa:

  • Resistencia al aplastamiento en frío:  El tablero puede soportar cargas pesadas a temperatura ambiente.

  • Resistencia a la abrasión:  Es menos probable que el tablero se erosione por flujos de gas o contacto físico.

  • Resistencia a altas temperaturas (módulo de ruptura en caliente):  conserva su resistencia a temperaturas en las que otros materiales se ablandarían.

3. Alta conductividad térmica (como ventaja estratégica)

Como se mencionó, esto se utiliza para  controlar  el calor, no solo para bloquearlo. Permite:

• Ciclos de calentamiento y enfriamiento más rápidos sin dañar la placa.

• Distribución más uniforme de la temperatura dentro del horno o estufa.

4. Excelente refractariedad

• El SiC negro tiene un punto de fusión elevado (aproximadamente 2730 °C o 4946 °F) y es estable en atmósferas inertes o reductoras hasta aproximadamente 1600 °C. Esto lo hace adecuado para las aplicaciones de alta temperatura más exigentes.

Consideraciones clave y desafíos

El uso de SiC negro no está exento de desventajas, que deben gestionarse cuidadosamente durante la fabricación y la aplicación.

1. Oxidación

• El problema:  Por encima de aproximadamente 900 °C en una atmósfera oxidante (aire), el SiC comienza a oxidarse, formando una capa de sílice (SiO₂) en la superficie.

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• Las consecuencias:

  • La capa de SiO₂ puede provocar una degradación gradual y un debilitamiento de las partículas de SiC con el tiempo.

  • El proceso de oxidación provoca una ligera expansión del volumen, lo que puede crear tensiones internas.

• Mitigación:  Los fabricantes a menudo agregan antioxidantes (por ejemplo, silicio metálico) a la mezcla, que se oxidan preferentemente y protegen las partículas de SiC.

2. Cost

• El carburo de silicio negro es más caro que otros agregados refractarios comunes, como la arcilla de sílex calcinada, la bauxita o incluso la alúmina fundida blanca. Esto incrementa el costo final del panel aislante.

3. Porosidad controlada para aislamiento

• Dado que el SiC es denso y conductor, el fabricante debe diseñar cuidadosamente el resto de la estructura de la placa para mantener una baja conductividad térmica. Esto se suele lograr mediante:

  • Utilizando rellenos altamente porosos como  burbujas de alúmina  o  esferas de multilita .

  • Incorporando materiales orgánicos combustibles que dejan bolsas de aire.

  • Creando una estructura de poros finos de células cerradas.

Composición típica de un panel de aislamiento reforzado con SiC

Una formulación típica podría verse así:

• 60-70%:  Burbujas de alúmina/Agregados de mulita (Componente aislante principal)

• 15-25%:  Granalla de carburo de silicio negro (árido de refuerzo)

• 10-15%:  Polvo de alúmina reactiva + arcilla (matriz de unión)

• 1-3%:  Aditivos antioxidantes (por ejemplo, polvo de metal de silicio)

• + Aglutinantes:  Como fosfatos o sílice coloidal para mantener unido el cuerpo verde antes de la cocción.

Aplicaciones comunes

Las placas que contienen SiC negro se utilizan en las áreas más exigentes:

• Caras calientes del horno:  Revestimiento interior expuesto directamente a las llamas y altas temperaturas.

• Tapas de vagones de horno:  Estructura que contiene los productos en un horno de rodillos o de túnel, que requiere alta resistencia y resistencia al choque térmico.

• Bloques de quemadores:  rodean los quemadores de alta velocidad donde las fluctuaciones de temperatura son extremas.

• Hornos de Tratamiento Térmico:  Para procesos que requieren ciclos rápidos.

• Aislamiento de respaldo:  detrás de hormigones refractarios densos para proporcionar integridad estructural.

Resumen: SiC negro frente a alternativas

Conclusión

El carburo de silicio negro es un aditivo premium que transforma un panel aislante cerámico estándar en un producto de alto rendimiento, duradero y térmicamente robusto.  Su función principal es proporcionar una resistencia al choque térmico e integridad estructural inigualables en entornos donde los cambios bruscos de temperatura y la tensión mecánica suponen un desafío constante. Si bien su coste y su susceptibilidad a la oxidación son desventajas, sus ventajas en rendimiento en aplicaciones críticas lo convierten en un material indispensable.