China crea cerámica resistente al calor única en el mundo para aviones hipersónicos y reactores nucleares
El material desarrollado por los investigadores demostró una resistencia a la flexión de 824 ± 46 MPa y una tenacidad a la fractura de 7,5 ± 0,5 MPa·m1/2.
Un equipo de científicos de materiales dirigido por Boxin Wei, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Harbin, y Yujin Wang, del Instituto de Tecnología de Harbin (China), ha desarrollado un novedoso diseño de microestructura de múltiples escalas para cerámica basada en ZrC a través de un proceso de sinterización por plasma de chispa reactiva (SPS) in situ de dos pasos, utilizando ZrC, TiSi 2 y B₄C como materias primas.
El carburo de circonio (ZrC) es un material cerámico técnico ultra alta temperatura que se caracteriza por su elevado punto de fusión (3.540 ºC, aproximadamente), gran dureza y excelente resistencia a la corrosión y oxidación. Se utiliza principalmente en aplicaciones aeroespaciales, componentes de reactores nucleares y herramientas de corte debido a su estabilidad térmica.
El vuelo hipersónico, los sistemas de propulsión avanzados y la energía nuclear de próxima generación han aumentado la necesidad de cerámicas de temperatura ultraalta (UHTC). Sin embargo, su aplicación práctica se ha visto limitada por la baja sinterabilidad que requiere temperaturas de procesamiento muy altas, y la fragilidad intrínseca que limita la confiabilidad estructural. El nuevo descubrimiento realizado por los científicos chinos aborda estos inconvenientes.
La orientación del SiC secundario dentro de la matriz de (Zr,Ti)C reduce el desajuste reticular y mejora la transferencia de tensiones
Boxin Wei, profesor asociado de la Facultad de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Química de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Harbin, explicó que "el principal reto que buscábamos abordar era cómo mejorar simultáneamente tanto el comportamiento de densificación como la resistencia a la fractura en la cerámica de ZrC. Nuestro enfoque consistió en aprovechar una secuencia cuidadosamente diseñada de reacciones in situ que no solo promoviera la densificación a baja temperatura, sino que también creara una microestructura jerárquica con fases de refuerzo que operaran a diferentes escalas de longitud".
La estrategia de diseño del equipo se centró en la reacción entre TiSi₂ y B₄C, que se desarrolla en dos etapas. "El proceso de dos pasos es esencial para nuestro éxito. El mantenimiento a baja temperatura prioriza la finalización de las reacciones in situ, generando una alta densidad de núcleos finos de TiSi₂ y SiC, a la vez que limita intencionalmente el crecimiento del grano de la matriz", señaló Yujin Wang, profesor del Instituto de Cerámica Avanzada del Instituto de Tecnología de Harbin.
"Con estas fases de fijación ya dispersas por toda la microestructura, la sinterización posterior a alta temperatura alcanza la densidad completa, mientras que las partículas nanométricas suprimen eficazmente el engrosamiento del grano desde el principio", añadió el investigador. Con la adición de 30 mol% de TiSi2 y 15 mol% de B4C , la cerámica ZTS-30B resultante exhibió una submicroestructura refinada con tamaños de grano por debajo de 500 nm, logrando una resistencia a la flexión de 824 ± 46 MPa.
La mejora del rendimiento se debe a un verdadero mecanismo sinérgico multiescala
Los investigadores observaron que la adición de TiSi₂ cumple múltiples funciones simultáneamente: proporciona un coadyuvante de sinterización reactivo que promueve la densificación mediante la formación transitoria de fase líquida, aporta silicio para la formación de SiC in situ y aporta titanio para la posterior formación de una solución sólida con fases de carburo y boruro. La combinación resultante podría extenderse a otros sistemas cerámicos de ultraalta temperatura.