Es caro. Es frágil. Sin embargo, está empezando a utilizarse para sustituir el acero en motores, aviones e incluso en el cuerpo humano.
Ésta es la paradoja de la cerámica estructural avanzada. Durante décadas, fueron vistos como materiales de nicho. Demasiado frágil para uso general y demasiado caro para uso masivo. Pero en un entorno donde se come metal en el desayuno, la cerámica es la única opción. Estamos hablando de altas temperaturas, corrosión profunda y fricción intensa. En estas áreas, los fuertes enlaces químicos que endurecen la cerámica la endurecen. Las cosas difíciles se rompen.
El problema no es la falta de fuerza. El problema es que nos falta dureza. Comenzaron a aparecer grietas y luego huyeron. Rápidamente. hasta que el material se descomponga.
Pero los ingenieros están contraatacando. Los investigadores han encontrado una manera de evitar grietas modificando la microestructura. Están intentando convertir la frágil cerámica en algo que se comporte más como el acero. Esto no es magia. Esto es microingeniería.
Así es como lo están haciendo.
Por qué es importante la cerámica (si el metal falla)
Primero, necesitamos aclarar un malentendido. No se utilizan cerámicas estructurales avanzadas en la construcción de un puente. Sus elevados costes y sus variables propiedades mecánicas dificultan los cálculos seguros. Se trata de alternativas costosas a los metales y polímeros.
Pero consideremos el interior del motor de un automóvil. O palas de turbina a reacción. O el implante de cadera en un paciente.
En estos casos, necesitas materiales que puedan soportar:
Calor extremo para que no se derrita ni se deforme.
* Corrosión química o de fluidos corporales.
* Erosión causada por partículas de desgaste o fricción constante.
El metal se derrite. Quemaduras de polímero. Los compuestos se deslaminan. ¿Cerámica? Simplemente permanecen allí químicamente inertes y termoquímicamente estables.
Tomemos como ejemplo los equipos de procesamiento de minerales. moliendo rocas hasta convertirlas en polvo. El acero común se desgasta en unos pocos meses. Las cerámicas de alta calidad son muy resistentes al desgaste y pueden utilizarse durante muchos años. O considere sustitutos óseos. El cuerpo es un ambiente altamente corrosivo. Los metales se corroen y liberan iones tóxicos. Algunas cerámicas son biocompatibles y químicamente inertes. No reaccionan. Simplemente sostienen la carga.
“Las cerámicas tienen fuertes enlaces químicos, por lo que soportan condiciones muy duras”.
Esta durabilidad proviene del nivel atómico. Los enlaces son muy fuertes y no se deforman fácilmente. Pero esa misma resistencia significa que no se rendirán. No se estiran. Se rompen.
Para que sean adecuados para aplicaciones estructurales cotidianas, es necesario resolver el problema de la fragilidad. detener las grietas.
Fallo frágil
El mayor obstáculo para el uso de estos materiales en todas partes es su inherente susceptibilidad a sufrir defectos. La cerámica no es uniforme. Hay una pequeña falla. Huecos microscópicos. pequeña grieta.
Los metales se deforman cuando se les aplica presión. Se estira. Absorbe energía. En cerámica, la tensión se concentra en las puntas de los pequeños defectos. Propagación de grietas. De repente toda la asamblea fracasó.
Este no es un problema menor. Esta es una limitación fundamental del material. Lograr una cerámica estructural avanzada requiere que la cerámica responda al estrés. Es necesario aumentar la energía necesaria para la propagación de grietas.
Hay tres formas principales de hacer esto.
Refuerzo de la cerámica: cambios en la microestructura.
Una forma es cambiar la estructura interna de la cerámica. En lugar de utilizar una malla uniforme de partículas, los ingenieros crean microestructuras utilizando granos fibrosos o entrelazados.
Piense en ello como una barra de refuerzo en concreto. Sin embargo, la barra de refuerzo es parte de la propia cerámica.
Cuando una grieta intenta atravesar este material, choca contra un obstáculo. No puedes ir derecho. Tienes que desviar. Tienes que zigzaguear. Esto aumenta la longitud del camino de la grieta. Un camino de grieta más largo significa que se necesita más energía para moverla.
Al mismo tiempo, las partículas detrás de la punta de la grieta llenan el espacio. mantenga la grieta cerrada. Funcionan como pequeños puntos.
Esto se hace con compuestos cerámicos reforzados con bigotes y compuestos cerámicos reforzados con fibras. Como resultado, el área de la fractura aumenta significativamente. El material absorbe más energía antes de romperse. Ya no se trata de una única ruptura limpia. Este es un proceso complejo y que requiere mucha energía.
Microfisuras: Déjate llevar y sigue adelante
El segundo mecanismo es contrario a la intuición. Esto significa la creación intencionada de pequeñas grietas. En lugar de ello, deja que se forme de forma controlada.
Esto ocurre en cerámicas policristalinas monofásicas con anisotropía de grano. Sus propiedades varían según la dirección. También es adecuado para microestructuras policristalinas de dos fases.
Esto es lo que pasó. A medida que se acerca la grieta principal, se abren microfisuras más pequeñas a ambos lados de la misma. Está en la punta de la grieta.
Esto tiene dos propósitos.
Primero, se gasta energía para abrir estas grietas secundarias. Esto hace que haya menos energía disponible para que se propague la grieta principal. Es como pagar el peaje y seguir adelante.
En segundo lugar, y esto es importante, las microfisuras que siguen a la fisura principal aumentan el volumen. Esta ampliación pretende cerrar la grieta principal. Cuanto más se propaga la grieta, mayor será la resistencia a la propagación. A medida que aumenta la presión, el material esencialmente se repara a sí mismo o al menos resiste daños mayores.
Este es un sistema de defensa pasiva. Está integrado en el ADN del material.
Amplificador de cambio de fase: Acero cerámico
Este es el enfoque más prometedor. Y cambia el juego.
A esto se le llama endurecimiento por transformación. Convierte la cerámica en algo parecido al acero.
El material prototipo es óxido de circonio (dióxido de circonio, ZrO2).
La circona pura cambia drásticamente cuando se enfría por debajo de 1150 °C (2100 °F). La forma del cristal cambia de tetragonal a monoclínica. Este no es un cambio sutil. El volumen ha aumentado un 3%.
Esta expansión a menudo hace que el material se agriete o se desmorone. Pero los ingenieros han encontrado una manera de explotarlo.
Tienen partículas tetragonales muy finas dispersas en una matriz de circonio cúbico o alúmina. Las partículas tienen menos de 1 micrón. El estrecho contacto con la matriz mantiene estable la estructura tetragonal a temperatura ambiente. La presión sigue, pero sigue ahí.
Entonces se acercó la grieta.
El campo de tensión que precede a la grieta desencadena la transformación. Los granos tetragonales se vuelven monoclínicos. Lo amplían.
Esta expansión aplica una fuerza de cierre a la grieta que avanza. Es como apretar los tubos de pasta de dientes por detrás. La presión presiona la grieta y hace que se cierre.
Detrás de la grieta se forma una zona de proceso, donde se transforman todas las partículas. Un mayor volumen acumulativo crea una mayor resistencia. Cuanto más larga sea la grieta, mayor será la resistencia.
Estas cerámicas a menudo se denominan “aceros cerámicos”. ¿Por qué? Esto se debe a que la respuesta de deformación a la tensión es similar a la del acero. No se rompen. Se distorsiona un poco. Ceden.
La transformación de fase básica es martensítica. Este es el mismo mecanismo que produce martensítico en acero enfriado rápidamente. Tomamos prestadas de los metales las mejores técnicas de la naturaleza y las aplicamos a la cerámica.
El camino hacia el futuro
No sólo aprendemos estos materiales. Nosotros los diseñamos.
Las cerámicas templadas ofrecen una amplia gama de posibilidades. Desde generadores que funcionan de manera más eficiente a temperaturas más altas, hasta vehículos aeroespaciales que pueden soportar temperaturas de reingreso sin derretirse. Desde trituradoras industriales que nunca necesitan ser reemplazadas hasta implantes médicos que duran toda la vida.
Los obstáculos persisten. Variabilidad de propiedades. La complejidad de la fabricación. Costo.
Pero la ciencia es sólida. Los métodos de endurecimiento funcionan. Los materiales están listos.
Sólo necesitamos ampliarlo. Siempre están destinados a convertirse en una realidad cotidiana.
Las matemáticas de la ruptura
La tenacidad de las cerámicas reforzadas es mucho menor que la de los metales, pero es significativamente mejor que la de las cerámicas vítreas comunes. Para entender por qué esto es importante, es necesario mirar los números. La tenacidad a la fractura, denominada KIc, mide la intensidad de la tensión a la que comienzan a formarse las grietas. La unidad es el producto de los tiempos de megapascales y metros. Ésta es una medida precisa de la fragilidad.
El vidrio se encuentra en la parte inferior de la escala y tiene un valor KIc de 1. Es muy frágil. Rómpelo y se hará añicos. Los metales se encuentran en lo alto. Las aleaciones de aluminio oscilan entre 30 y 45. Los aceros entran en 40-65. Esta es una gran brecha.
¿Cerámica tradicional? Se sientan en el 3-4. Casi lo mismo que el vidrio. Si deja caer la placa de cerámica, podría romperse. Los compuestos reforzados con partículas crecen ligeramente hasta 4-6. Todavía frágil. Pero agregar bigotes y fibras cambia la situación. Los compuestos reforzados con bigotes alcanzan un rango de 8 a 10. Los reforzados con fibra pueden tener entre 10 y 25.
El siguiente es el circonio endurecido por transformación (TTZ). Estos materiales se encuentran en el rango 6-15. Esta área es importante. Permite que el rodamiento de bolas TTZ rebote repetidamente contra el piso de concreto. Sin daños visibles. Se podría pensar que este tipo de abuso provocaría que la cerámica se agrietara. No es así. La microestructura absorbe los golpes.
El precio de la resiliencia
Si estos materiales son tan resistentes, ¿por qué no están en todas partes? Los costos de producción son altos.
La cerámica no puede sustituir a los metales a menos que exista un claro beneficio económico. Tienen que ahorrar dinero de otras formas. Quizás sean posibles temperaturas de funcionamiento más altas. Quizás dure más. Si una pieza de cerámica cuesta el doble pero dura tres veces más, a los compradores podría importarles. ¿Qué pasaría si costara el doble y se estropeara la misma cantidad? Nadie lo compraría.
También hay deficiencias térmicas. Estas propiedades endurecidas suelen desaparecer cuando se calienta el objeto. A medida que aumenta la temperatura, la fuerza impulsora del cambio de fase disminuye. Finalmente desapareció. El material pierde su fuerza. Ha vuelto al estado frágil.
Los bigotes y las fibras de los compuestos de matriz cerámica se enfrentan a otro problema: la oxidación. se degradan a altas temperaturas. Por ello, son agentes endurecedores eficaces. La matriz vuelve a tener un comportamiento frágil. Los ingenieros todavía están luchando por diseñar microestructuras que sigan siendo resistentes incluso cuando se calientan. Este sigue siendo un gran desafío en la ingeniería cerámica.
Dónde viven
Ya se utilizan cerámicas estructurales avanzadas. Estas aplicaciones se tratan en los artículos correspondientes sobre cerámica nuclear, biocerámica, cerámica tribológica y cerámica para automóviles. No son sólo conceptos teóricos. Se encuentran en motores, implantes, máquinas industriales, etc.
También potencian los usos tradicionales. Los materiales refractarios y abrasivos ven un rendimiento y propiedades de abrasión mejorados. Las características básicas permanecen sin cambios, pero la estructura se ha vuelto más resistente. Más duro. Es más resistente al calor y al desgaste.
La brecha entre cerámica y metales se está reduciendo en determinados ámbitos. No cierra en todas partes. La barrera de los costos es real. Los límites térmicos son reales. Sin embargo, en aplicaciones donde el peso, la resistencia al calor y la resistencia a la corrosión son más importantes que el precio de compra original, la cerámica está ganando terreno. El siguiente obstáculo es si podrán sobrevivir a las altas temperaturas sin perder dureza.
