Estados Unidos. Investigadores de Purdue han observado una manera en que se puede superar la naturaleza quebradiza de la cerámica ya que soportan cargas pesadas, lo que lleva a estructuras más resistentes, como revestimientos de cuchillas de motor de avión e implantes dentales.
Si bien es inherentemente fuerte, la mayoría de las cerámicas tienden a fracturarse repentinamente cuando se tensan ligeramente bajo una carga, a menos que estén expuestas a altas temperaturas. Los componentes estructurales de cerámica también requieren altas temperaturas para formarse en primer lugar a través de un largo proceso llamado sinterización, en el que un material en polvo se une en una masa sólida.
Estos son problemas para los revestimientos cerámicos de las palas de los motores de metal destinados a proteger los núcleos de metal de un rango de temperaturas operativas. Un estudio publicado en Nature Communications demuestra por primera vez que la aplicación de un campo eléctrico a la formación de zirconia estabilizada con itrio (YSZ), una cerámica de barrera térmica típica, hace que el material sea casi tan plástico o fácilmente reformado como el metal a temperatura ambiente.
Los ingenieros también podrían ver las grietas más pronto, ya que comienzan a formarse lentamente a una temperatura moderada en lugar de temperaturas más altas, lo que les da tiempo para rescatar una estructura.
"En el pasado, cuando aplicamos una carga alta a temperaturas más bajas, una gran cantidad de cerámica fallaría catastróficamente sin previo aviso", dijo Xinghang Zhang, profesor de ingeniería de materiales. "Ahora podemos ver las grietas que vienen, pero el material permanece unido; esto es una falla predecible y mucho más segura para el uso de la cerámica".
Estudios recientes han demostrado que la aplicación de un campo eléctrico, o "flash", acelera significativamente el proceso de sinterización que forma YSZ y otras cerámicas, y a temperaturas del horno mucho más bajas que la sinterización convencional. Las cerámicas sinterizadas por evaporación también tienen muy poca porosidad, lo que las hace más densas y, por lo tanto, más fáciles de deformar. Ninguno ha probado aún la capacidad de las cerámicas sinterizadas por destello para cambiar su forma a temperatura ambiente o temperaturas cada vez más altas.
"YSZ es un recubrimiento de barrera térmica muy típico, básicamente protege un núcleo de metal del calor", dijo Haiyan Wang, profesor de ingeniería de Basil S. Turner en Purdue. "Pero tiende a sufrir muchas fracturas cuando un motor se calienta y se enfría debido a tensiones residuales".
Lo que permite a los metales ser resistentes a las fracturas y fáciles de cambiar de forma es la presencia de "defectos" o dislocaciones: planos extra de átomos que se mezclan durante la deformación para hacer que un material simplemente se deforme en lugar de romperse bajo una carga.
Las cerámicas normalmente no forman dislocaciones a menos que se deformen a temperaturas muy altas. Sin embargo, la sinterización instantánea introduce estas dislocaciones y crea un tamaño de grano más pequeño en el material resultante.
"Los granos más pequeños, como los granos nanocristalinos, pueden deslizarse a medida que el material cerámico se deforma, ayudándolo a deformarse mejor", dijo Wang.
Las dislocaciones preexistentes y los tamaños de grano pequeños permitieron que una muestra YSZ sinterizada más delgada que el cabello humano crezca más plásticamente entre la temperatura ambiente y 600 grados Celsius cuando se comprime, con grietas que comienzan a extenderse lentamente a 400 grados en comparación con el YSZ sinterizado convencional que requiere 800 grados y más para deformar plásticamente.
Plástica mejorada significa más estabilidad durante el funcionamiento a temperaturas relativamente bajas. La muestra también podría soportar casi tanta tensión de compresión como algunos metales antes de que aparezcan las grietas.
"Los metales se pueden comprimir con una tensión de 10 o 20 por ciento, no hay problema, pero las cerámicas a menudo se fracturan en pedazos si las comprimes a menos del 2-3 por ciento de tensión", dijo Zhang. "Mostramos que las cerámicas sinterizadas con flash se pueden comprimir a un 7-10 por ciento sin una fractura catastrófica".
Incluso cuando la muestra comenzó a agrietarse, las grietas se formaron muy lentamente y no dieron como resultado un colapso completo como sucedería normalmente con las cerámicas convencionales. Los próximos pasos serían usar estos principios para diseñar materiales cerámicos aún más resistentes.
Los investigadores no habrían podido realizar experimentos in situ de una muestra cerámica de tamaño micrométrico sin una herramienta de prueba nanomecánica in situ dentro de un microscopio electrónico de barrido de alta resolución equipado con una herramienta enfocada de vigas de hierro en Life Science Microscopy Center de Purdue. una instalación de microscopio electrónico FEI Talos 200X en las instalaciones de ingeniería de materiales de Purdue. Ambos microscopios fueron proporcionados por la Oficina del Vicepresidente Ejecutivo de Investigación y Asociaciones y las Facultades de Ingeniería y Ciencias de Purdue. Purdue espera un microscopio con corrección de aberración de resolución aún mayor que los investigadores utilizarán próximamente para la investigación futura de nanomateriales.
Fuente: Universidad de Purdue.
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