Investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Purdue han desarrollado y validado un método pendiente de patente que podría ampliar las aplicaciones industriales de las cerámicas haciéndolas más deformables plásticamente a temperatura ambiente.
La plasticidad o deformabilidad plástica es la capacidad de un material para deformarse por compresión, tensión o corte en una forma o geometría específica sin romperse. Normalmente, los materiales cerámicos presentan una deformabilidad plástica muy limitada a temperatura ambiente.
Haiyan Wang y Xinghang Zhang lideran un equipo de Purdue cuyo método mejora la deformabilidad plástica de la cerámica a temperatura ambiente al introducir primero defectos de alta densidad en cerámicas quebradizas bajo altas temperaturas. Wang es profesor de ingeniería Basil S. Turner y Zhang es profesor de ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería de Materiales de Purdue.
"Esta estrategia puede mejorar notablemente la deformabilidad plástica de la cerámica a temperatura ambiente y promete inyectar ductilidad, o la capacidad de adoptar una forma casi neta, de la cerámica en un futuro próximo", afirmó Zhang.
La investigación ha sido publicada en Science Advances . Este enfoque complementa su investigación anterior sobre la mejora de la deformabilidad del plástico cerámico mediante el método de sinterización instantánea, que se publicó en una edición de 2018 de Nature Communications. .
"No todos los materiales cerámicos pueden procesarse mediante el método de sinterización instantánea", afirmó Wang. "Este nuevo método se puede generalizar a casi todos los materiales cerámicos."
Los materiales cerámicos se utilizan como materiales estructurales en industrias como la aeroespacial, el transporte, las centrales eléctricas y la manufactura; y en aplicaciones como rodamientos en motores y máquinas, condensadores, materiales aislantes eléctricos, electrodos en baterías y pilas de combustible, y revestimientos de barrera térmica en máquinas de alta temperatura.
Son mecánicamente fuertes y químicamente inertes; resistir el desgaste y la corrosión; aislar contra el calor y la electricidad; y son más duros y tienen puntos de fusión más altos que los metales. Estos atributos significan que los materiales cerámicos se pueden usar para cortar metales o contener metales fundidos y soportar altas tensiones a altas temperaturas.
Las cerámicas también son quebradizas a temperatura ambiente; se doblan sólo a temperaturas suficientemente altas cuando se puede activar la actividad de dislocación. Los metales, por el contrario, se doblan sin romperse a temperatura ambiente.
Wang dijo que la cerámica tiene pocas dislocaciones, lo que provoca su naturaleza frágil. Las dislocaciones son defectos en los materiales que cambian la disposición de los átomos en una estructura.
"Una dislocación puede deslizarse dentro de los cristales para permitir la deformabilidad plástica en ciertos niveles de tensión", dijo Wang. "Sin embargo, en materiales cerámicos, es difícil nuclear dislocaciones a temperatura ambiente, ya que la tensión de fractura en la cerámica es mucho menor que la tensión para nuclear dislocaciones a tales temperaturas".
Zhang dijo:"Por el contrario, los materiales metálicos son dúctiles porque fácilmente nuclearn una densidad muy alta de dislocaciones. Y las dislocaciones son móviles en los metales a temperatura ambiente, lo que mejora significativamente su ductilidad. Entonces, la forma de mejorar la plasticidad de la cerámica es nuclear abundantes dislocaciones". en cerámica antes de que empecemos a deformarlas."
Wang dijo que se han hecho grandes esfuerzos para mejorar la deformabilidad de la cerámica, pero con un éxito limitado.
El equipo de Purdue ha introducido dislocaciones en materiales cerámicos precargándolos durante la deformación a altas temperaturas. Chao Shen, un estudiante de posgrado del equipo, dijo que una vez que las muestras de cerámica se enfrían, las dislocaciones mejoran la plasticidad de la cerámica a temperatura ambiente.
"Este método es más aplicable a una amplia gama de cerámicas que el método de sinterización instantánea, ya que no todos los materiales cerámicos pueden procesarse mediante sinterización instantánea", dijo Wang. "Las dislocaciones de precarga también pueden ser mucho más fáciles de ampliar en la práctica para el procesamiento y tratamiento de cerámica a gran escala que la sinterización instantánea".
La técnica ha sido probada y validada en su laboratorio sobre diversos sistemas cerámicos y pilares cerámicos de diferentes dimensiones.
"Después del tratamiento de precarga, el dióxido de titanio monocristalino mostró un aumento sustancial en la deformabilidad, alcanzando una deformación del 10% a temperatura ambiente", dijo Zhang. "El óxido de aluminio también mostró deformabilidad plástica, entre un 6 % y un 7,5 % de deformación, utilizando la técnica de precarga".
El equipo de investigación, que incluye a Wang, Zhang y R. Edwin García, profesor de ingeniería de materiales, y sus estudiantes de posgrado, colaborará con la industria en demostraciones a gran escala de este enfoque en varios sistemas cerámicos.
Wang y Zhang revelaron la innovación a la Oficina de Comercialización de Tecnología de Purdue Innovates, que solicitó una patente a la Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU. para proteger la propiedad intelectual.
Más información: Chao Shen et al, Lograr plasticidad a temperatura ambiente en cerámicas frágiles mediante precarga de temperatura elevada, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj4079
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza , Avances científicos
Proporcionado por la Universidad Purdue
