El Departamento de Defensa necesita materiales para las ventanas blindadas que brinden protección esencial tanto para el personal como para el equipo, sin dejar de tener un alto grado de transparencia. Para satisfacer esa necesidad Los científicos del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) han desarrollado un método para fabricar espinela nanocristalina que es un 50% más dura que los materiales de armadura de espinela actuales utilizados en vehículos militares. Con la dureza más alta reportada para espinela, La espinela nanocristalina de NRL demuestra que la dureza de las cerámicas transparentes se puede aumentar simplemente reduciendo el tamaño de grano a 28 nanómetros. Esta espinela más dura ofrece el potencial para mejores ventanas de blindaje en vehículos militares, que daría personal y equipo, como sensores, protección mejorada, junto con otros beneficios.

Esta investigación se informó en el 30 de enero de 2014, número de la revista Acta Materialia .

Para crear la espinela más dura, el equipo de investigación de NRL sinteriza, o consolida, nanopolvos comerciales en materiales nanocristalinos completamente densos. La sinterización es un método común que se utiliza para crear grandes componentes cerámicos y metálicos a partir de polvos. Sin embargo, el equipo de NRL es el primero en lograr hacer esta espinela más dura a través del desarrollo del enfoque de sinterización mejorada a alta presión (EHPS), explica el Dr. James Wollmershauser, investigador principal de la investigación. El enfoque EHPS utiliza altas presiones (hasta 6 GPa) para retardar las tasas de difusión masiva, romper los aglomerados de polvo, y vuelva a colocar las nanopartículas muy cerca unas de otras para ayudar a eliminar la porosidad en la cerámica sinterizada. Luego, los investigadores de NRL pueden explotar el mayor potencial de superficie de las nanopartículas para la densificación impulsada por la energía de la superficie sin engrosamiento.

Usando este enfoque EHPS para crear la espinela nanocristalina, el equipo de investigación de NRL no observó ninguna disminución en la densidad o resistencia a la fractura debido a la porosidad residual. Otros investigadores han intentado hacer espinela nanocristalina, pero todos han tenido problemas con el producto final, tal como, una densidad reducida, reducción de la resistencia a la fractura, o transparencia reducida. La densidad reducida en el trabajo de otros investigadores es causada por huecos que no se pueden eliminar durante el procesamiento, que puede reducir la dureza, Resistencia a la fractura y transparencia. Wollmershauser de NRL señala que algunas teorías sugieren que la resistencia a la fractura debería disminuir cuando se hace un material cerámico nanocristalino. Sin embargo, en su trabajo, Los investigadores de NRL han demostrado que la resistencia a la fractura no cambia, lo que sugiere que las cerámicas nanocristalinas pueden tener una dureza equivalente a las cerámicas microcristalinas. lo cual es importante para la vida útil de las ventanas.

La relación Hall-Petch se ha utilizado para describir el fenómeno en el que la resistencia y la dureza de un material pueden incrementarse al disminuir el tamaño de grano promedio de cristalita. Sin embargo, El trabajo experimental anterior había mostrado una ruptura en esta relación (donde la dureza comienza a reducirse con la disminución del tamaño de grano) para ciertas cerámicas a ~ 130 nanómetros. Notablemente, Los investigadores de NRL han refutado que existe una ruptura en el efecto Hall-Perch en estos tamaños de grano a nanoescala midiendo una dureza creciente hasta al menos un tamaño de grano de cristalito de 28 nanómetros. El nuevo, Se midieron valores de dureza elevados en muestras con estos tamaños de grano medios extremadamente pequeños.

En aplicaciones actuales, espinela y zafiro (que también es muy duro), se utilizan para crear materiales para ventanas de armaduras militares. Un inconveniente del zafiro es que resulta caro convertirlo en ventanas. Al aumentar aún más la dureza de la espinela, Los investigadores de NRL pueden hacer un material más duro que el zafiro y posiblemente reemplazar las ventanas de zafiro con ventanas hechas de espinela nanocristalina. También, Las ventanas de espinela nanocristalina más duras se pueden hacer más delgadas y seguir cumpliendo las especificaciones militares actuales. Esta delgadez se traduce en un ahorro de peso en el vehículo. Por tanto, la espinela nanocristalina desarrollada por NRL aporta mejoras en la dureza, espesor y peso de la ventana, y costo.

Un beneficio final es que la espinela nanocristalina desarrollada por NRL es altamente transparente, haciéndolo útil en UV, Óptica visible e infrarroja. El material de armadura utilizado por los militares debe ser transparente para que tanto el equipo como el personal puedan ver. Los diferentes sensores "ven" diferentes longitudes de onda de luz. Los infrarrojos son importantes para las capacidades de búsqueda de calor. Las imágenes UV se pueden utilizar para detectar amenazas que no se ven en el espectro visible. Los detectores UV también tienen aplicaciones en misiones astronómicas espaciales. Una sola ventana que podría producirse utilizando la espinela nanocristalina desarrollada por NRL sería transparente en muchas longitudes de onda tecnológicamente importantes, simplificando los requisitos de diseño y peso.

Más allá del uso de una espinela más dura en ventanas de armadura, Podría haber otras aplicaciones civiles y del Departamento de Defensa potenciales en ventanas de oficina mejores / más fuertes, pantallas de teléfonos inteligentes y tabletas, vehículos militares / civiles, vehículos espaciales, e incluso rovers extraterrestres.