Los compuestos de matriz cerámica (CMC) son materiales increíblemente fuertes que se utilizan en los motores a reacción, turbinas de gas, y herramientas de corte para superaleaciones de níquel. Óxido de aluminio (Al ₂ O ₃ ) es duro y químicamente inerte, y el carburo de tungsteno (WC) se utiliza como material superduro, pero los esfuerzos pasados ​​para crear una IA ₂ O ₃ -WC CMC arrojó resultados insatisfactorios. Recientemente, un estudio de científicos japoneses, publicado en Informes científicos , muestra que la adición de átomos de circonio da como resultado una mejora de Al ₂ O ₃ -WC CMC.

Dada la utilidad potencial de Al ₂ O ₃ -WC CMC como materiales superduros, investigadores de todo el mundo han probado varias formulaciones para identificar una con una alta resistencia a la flexión, que es una medida de la tensión física a la que puede someterse un material antes de que se doble o rompa permanentemente. Previamente, ningún grupo había desarrollado un Al ₂ O ₃ -WC CMC con una resistencia a la flexión superior a 1 gigapascal, lo que significaba que los primeros Al ₂ O ₃ -Las CMC de WC no pudieron superar a los materiales de CMC existentes. En un intento por lograr una mayor resistencia a la flexión, el mencionado equipo de científicos de Japón llevó a cabo un estudio, que fue dirigido por científicos de la Universidad de Nagoya, en colaboración con NGK Spark Plug Co., Ltd. En su estudio, los científicos experimentaron con la adición de pequeñas cantidades de dióxido de circonio (ZrO ₂ ) durante la creación de Al ₂ O ₃ -WC CMC. Esta adición produjo Al "superduro" ₂ O ₃ -WC CMC con resistencias a la flexión superiores a 2 gigapascales. Como señalan los investigadores principales, el Dr. Tomohiro Nishi y el Dr. Katsuyuki Matsunaga, "Este es un récord histórico en el campo".

Notablemente, los investigadores lograron estas considerables mejoras en la resistencia a la flexión con una adición relativamente modesta de ZrO2. El aditivo representó menos del 5% de la masa del Al terminado ₂ O ₃ -WC CMC, que es menor que la cantidad de aditivo normalmente presente en las CMC mejoradas con aditivos. Cuando los investigadores estudiaron las estructuras de su Al superduro mejorado con ZrO2 ₂ O ₃ -WC CMC que utilizan un método llamado microscopía electrónica de transmisión de barrido de resolución atómica, encontraron que los átomos de Zr estaban ubicados en capas delgadas entre láminas de Al ₂ O ₃ y WC. Con respecto a las interfaces entre el Al ₂ O ₃ y sábanas de WC, El Dr. Nishi y el Dr. Matsunaga afirman:"Tales interfaces son generalmente puntos débiles con respecto a las propiedades mecánicas". Por lo tanto, la interfaz entre las hojas es una ubicación plausible para que los átomos de Zr ejerzan efectos que fortalezcan el Al ₂ O ₃ -WC CMC. En efecto, cuando los investigadores modelaron los efectos de los átomos de Zr utilizando técnicas de un campo de la física matemática conocida como teoría funcional de la densidad, sus resultados indicaron que una capa interfacial de átomos de Zr mejoraría la estabilidad de sus CMC.

Los investigadores prevén un futuro brillante para sus novedosas CMC. Comentando sus posibles aplicaciones, El Dr. Matsunaga afirma:"Los materiales que desarrollamos se pueden utilizar como materiales superduros en dispositivos de trabajo de metales para cortar componentes metálicos duros que se utilizarán en aviones y automóviles". De hecho, señalan que los ingenieros de NGK Spark Plug Co. ya han comercializado los materiales como componentes en herramientas de corte.

La creación de estos mejorados Al ₂ O ₃ -WC CMC sirve como un ejemplo de las mejoras considerables en las propiedades físicas que se pueden lograr con adiciones relativamente menores a un material.

El papel, "Materiales compuestos superduros avanzados con resistencia mecánica extremadamente mejorada mediante la segregación interfacial de dopantes diluidos, "fue publicado en la revista Informes científicos el 3 de diciembre 2020.