Los investigadores de Skoltech han identificado materiales cerámicos prometedores para revestimientos metálicos que aumentarían la eficiencia de las turbinas de gas. Si otras pruebas experimentales resultan exitosas, los recubrimientos permitirán que las centrales eléctricas produzcan más electricidad y que los aviones consuman menos combustible. Una vez probada la técnica de descubrimiento de materiales, los investigadores pretenden continuar la búsqueda y encontrar más candidatos con propiedades quizás incluso mejores. El estudio se publica en Physical Review Materials .
Los revestimientos de barrera térmica se utilizan para proteger las palas de las turbinas en centrales eléctricas y motores a reacción. Las propias palas están hechas de superaleaciones a base de níquel. Estos ofrecen una excelente combinación de resistencia a altas temperaturas, tenacidad y resistencia a la degradación. Sin embargo, a medida que las cosas se calientan mucho, la superaleación se ablanda e incluso puede derretirse. Los recubrimientos protectores permiten operar turbinas a temperaturas más altas sin comprometer su integridad. Y en este caso, una temperatura más alta significa una mayor eficiencia.
"Hoy en día, los revestimientos de barrera térmica se fabrican con circonio estabilizado con itria, pero si se utilizara en su lugar un material con mejores propiedades, se podría obtener más energía útil de la turbina", afirma el profesor Artem R. Oganov, coautor del estudio. que dirige el Laboratorio de Descubrimiento de Materiales de Skoltech.
"Para encontrar tales materiales, primero hay que encontrar candidatos cuyas propiedades se puedan predecir computacionalmente. Hemos probado una variedad de métodos y hemos determinado cuál es el mejor para calcular las propiedades relevantes de los materiales, en particular la conductividad térmica. En el documento, enumeramos Hay algunos candidatos prometedores, pero seguiremos buscando."
Un material para revestimientos de barrera térmica debe cumplir varios requisitos. Debe tener un punto de fusión muy alto y una conductividad térmica muy baja. Esta última propiedad es particularmente difícil de calcular porque depende de los intrincados efectos "anarmónicos" de los cristales. Además, cuando se calienta, el material debería expandirse aproximadamente al mismo ritmo que la superaleación, o de lo contrario se desprenderá de la superficie.
El material no debe sufrir transiciones de fase entre la temperatura ambiente y la temperatura de funcionamiento de la turbina, lo que provocaría que el revestimiento se agrietara. También debe resistir los efectos de las partículas de polvo y el oxígeno a altas temperaturas y evitar que los iones de oxígeno lleguen al metal subyacente y lo oxiden.
"Si bien calculamos las otras propiedades, el meollo del problema es predecir la conductividad térmica", dice el coautor del estudio, Skoltech Ph.D. estudiante Majid Zeraati. "Mostramos que tales predicciones son computacionalmente factibles y razonablemente precisas con simulaciones homogéneas de dinámica molecular sin equilibrio. Esto resulta algo inesperado, ya que tales simulaciones implican una enorme cantidad de cálculos y extensas estadísticas, lo que resulta en una alta complejidad computacional.
"Sin embargo, logramos simplificar el método complementándolo con potencialidades de aprendizaje automático:es decir, las interacciones entre los átomos se predijeron utilizando inteligencia artificial, en lugar de calcularse directamente."
El estudio de Skoltech ya destaca una serie de materiales que prometen superar al actual campeón, el circonio estabilizado con itria, el actual campeón. Entre ellos se encuentra el niobato de itrio (Y3 NbO7 ), las estructuras de perovskita BaLaMgTaO6 y BaLaMgNbO6 y siete materiales más. Dicho esto, el equipo planea continuar su búsqueda computacional para identificar posibles opciones de respaldo y los candidatos potencialmente mejores que aún existen.
Más información: Majid Zeraati et al, Búsqueda de materiales de baja conductividad térmica para revestimientos de barrera térmica:un enfoque teórico, Materiales de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevMaterials.8.033601
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo
