Análisis macrocinético de la infiltración química de vapor de capas de Si y Si/SiC en estructuras biomórficas de carbono

Abstract

ResumenEn este artículo se presenta el modelo matemático desarrollado para describir y predecir el proceso de infiltración y deposición de capas de Si y Si/SiC a partir de los sistemas de precursores: metiltriclorosilano (MTS)/hidrógeno y Tetracloruro de Silicio/hidrógeno. Este modelo se basa en la cinética obtenida en el análisis experimental de la deposición sobre substratos no porosos, en el modelo geométrico desarrollado para describir la estructura porosa de las preformas de carbono y en el cálculo de Módulo de Thiele y del factor de infiltración a partir del balance de masa. Finalmente se comprobaron los resultados del modelo matemática comparando la homogeneidad de la infiltración en preformas de carbono con un microscopio SEM.Palabras Clave: Chemical Vapor Deposition (CVD), CVI, biomorphic ceramics, infiltration factor. IntroducciónEl desarrollo en las técnicas de producción de cerámicas biomórficas aumenta continuamente [1]. Cerámicas biomórficas son materiales tecnológicos obtenidos de la transformación de estructuras biológicas, llamadas preformas, hacia materiales cerámicos de alta calidad y una amplia gama de posibles aplicaciones. Las cerámicas biomórficas de carburo de silicio, SiC, han sido estudiadas exhaustivamente por su combinación única de propiedades. SiC se caracteriza por su muy buena resistencia mecánica, estabilidad térmica hasta 1000°C en atmósferas oxidantes y su resistencia química a ácidos y bases. Entre sus principales aplicaciones se encuentran su uso como monolito o recubrimientos en motores y partes que necesitan resistencia a altas temperaturas, o como protección a medios abrasivos o corrosivos [2,3]. Entre las propiedades únicas de las estructuras biológi-cas se encuentran la combinación entre resistencia y estabilidad con gran flexibilidad y elasticidad, densidades muy bajas, además de su posibilidad de autocuración y auto-modificación, cosa que no se tiene en ningún material tecnológico [4,5]. Las propiedades úni-cas de las cerámicas biomórficas de SiC son una combinación entre las propiedades cerámicas del SiC y de la estructura original biológica, la cual se mantiene intacta hasta un nivel de micrométrico, resultando en materiales de bajísima densidad y alta flexibilidad, con alta resistencia mecánica y dureza, así como alta estabilidad, conductividad térmica y resistencia química frente a ácidos y bases [6,7].En los últimos años se han desarrollado diferentes tecnologías para la obtención de cerámicas biomórficas, dando como resultado cerámicas con diferentes propiedades. Las tecnologías más utilizadas son infiltración de Si líquido [8, 9, 10], infiltración de Si gaseoso [11,12], infiltración de vapor de SiO [11] e infiltración química de vapor [13,14,15]. En este trabajo se va a tratar exclusivamente cerámicas biomórficas producidas a través de la deposición e infiltración química de vapor (CVI, Chemical Vapor Infiltration) de diferentes precursores.El proceso de ceramización por el método de CVI incluye tres pasos consecutivos [16]. En el primer paso se transforma la es...