Revolucionando la cerámica: los científicos descubren el secreto de una resistencia increíble

Muestras de una clase de cerámicas, conocidas como carburos de alta entropía, que están diseñadas para soportar más fuerza y ​​tensión antes de romperse. Crédito: Liezel Labios/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego

Los científicos han descubierto un método para hacer que la cerámica sea más dura y resistente al agrietamiento. Al construir estos materiales con una mezcla de átomos metálicos que tienen una mayor cantidad de electrones en su capa exterior, un grupo liderado por ingenieros de la Universidad de California en San Diego ha desbloqueado el potencial para permitir que la cerámica maneje niveles más altos de resistencia y tensión. que antes.

Características y limitaciones de la cerámica

La cerámica ofrece muchas ventajas debido a sus notables propiedades, incluida la capacidad de soportar temperaturas extremadamente altas, resistir la corrosión y el desgaste superficial y mantener perfiles livianos. Estas propiedades los hacen adecuados para una variedad de aplicaciones, como componentes aeroespaciales y revestimientos protectores para motores y herramientas de corte. Sin embargo, su debilidad siempre ha sido la fragilidad. Se rompen fácilmente bajo tensión.

Pero ahora, los investigadores han encontrado una solución que podría hacer que la cerámica sea más difícil de romper. Recientemente publicaron su trabajo en Avances científicos.

Desbloquear resistencia mejorada

El estudio, dirigido por el profesor de nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego, Kenneth Vecchio, se centra en una clase de cerámicas conocidas como carburos de alta entropía. Estos materiales tienen estructuras atómicas muy desordenadas, compuestas por átomos de carbono unidos a múltiples elementos metálicos de la cuarta, quinta y sexta columnas de la tabla periódica. Estos metales incluyen, por ejemplo, titanio, niobio y tungsteno. Los investigadores descubrieron que la clave para aumentar la tenacidad de la cerámica estaba en utilizar metales de la quinta y sexta columna de la tabla periódica, debido a su mayor número de electrones de valencia.

Electrones de valencia: aquellos que residen en un átomola capa más externa y la participación en la unión con otros átomos – resultó ser un factor fundamental. Utilizando metales con un mayor número de electrones de valencia, los investigadores han mejorado con éxito la resistencia del material al agrietamiento cuando se somete a cargas y tensiones mecánicas.

«Estos electrones adicionales son importantes porque efectivamente hacen que el material cerámico sea más dúctil, lo que significa que puede sufrir más deformación antes de romperse, similar a un metal», dijo Vecchio.

Simulaciones que comparan las respuestas bajo voltaje aplicado de cerámicas con diferentes concentraciones de electrones de valencia. Crédito: Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego

Para comprender mejor este efecto, el grupo de Vecchio colaboró ​​con Davide Sangiovanni, profesor de física teórica en la Universidad de Linköping en Suecia. Sangiovanni realizó las simulaciones por computadora y el equipo de Vecchio fabricó y probó experimentalmente los materiales.

El equipo investigó carburos de alta entropía que presentaban varias combinaciones de cinco elementos metálicos. Cada combinación produjo una concentración diferente de electrones de valencia en el material.

Identificar las combinaciones más fuertes

Identificaron dos carburos de alta entropía que exhibían una resistencia excepcional al agrietamiento bajo carga o tensión, gracias a sus altas concentraciones de electrones de valencia. Uno estaba compuesto por los metales vanadio, niobio, tantalio, molibdeno y tungsteno. La otra variante sustituyó el niobio por cromo en la mezcla.

Bajo carga o tensión mecánica, estos materiales podían deformarse o estirarse, respectivamente, asemejándose el comportamiento de los metales en lugar de la respuesta frágil típica de la cerámica. A medida que estos materiales fueron perforados o separados, los enlaces comenzaron a romperse, formando aberturas del tamaño de un átomo. Los electrones de valencia adicionales alrededor de los átomos metálicos se reorganizaron luego para salvar estos espacios, formando nuevos enlaces entre los átomos metálicos vecinos. Este mecanismo preservó la estructura del material alrededor de las aberturas, inhibiendo efectivamente su crecimiento y formación de grietas.

“Descubrimos que se está produciendo una transformación subyacente en nanoescala donde los enlaces se reorganizan para mantener unido el material”, dijo el coautor del estudio Kevin Kaufmann, Ph.D. en nanoingeniería de UC San Diego. Ex alumno en el laboratorio de Vecchio. “En lugar de simplemente romperse en la superficie de la fractura, el material se desgasta lentamente como una cuerda que se deshilacha cuando se tira de ella. De esta manera, el material puede adaptarse a esta deformación que se está produciendo y no volverse frágil”.

Aplicaciones y perspectivas futuras

El desafío ahora radica en incrementar la producción de estas cerámicas resistentes para aplicaciones comerciales. Esto podría ayudar a transformar las tecnologías que dependen de materiales cerámicos de alto rendimiento, desde componentes aeroespaciales hasta implantes biomédicos.

La nueva resistencia de estas cerámicas también allana el camino para su uso en aplicaciones extremas, como los bordes de ataque de vehículos hipersónicos. Vecchio explicó que unas cerámicas más resistentes podrían servir como defensa de primera línea para estos vehículos, protegiendo componentes vitales de los impactos de escombros y permitiendo que los vehículos sobrevivan mejor a los vuelos supersónicos.

«Al abordar una limitación de larga data de la cerámica, podemos ampliar enormemente su uso y crear materiales de próxima generación que tienen el potencial de revolucionar nuestra sociedad», dijo Vecchio.

Referencia: “La concentración de electrones de valencia como parámetro clave para controlar la tenacidad a la fractura de carburos refractarios de alta entropía” por Davide G. Sangiovanni, Kevin Kaufmann y Kenneth Vecchio, 13 de septiembre de 2023, Avances científicos.
DOI: 10.1126/sciadv.adi2960

Este trabajo fue apoyado por el Consejo de Investigación Sueco (subvenciones VR-2018-05973 y VR-2021-04426), el Centro de Competencia de Materiales Funcionales a Nanoescala (subvención 2022-03071), la Fundación Olle Engkvist, el Centro de Investigación de Materiales del Departamento de NanoIngeniería de UC San Diego, Programa de becas para graduados en ingeniería y ciencias de la defensa nacional, Fundación ARCS (capítulo de San Diego) y Grupo Oerlikon.