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compuesto de matriz cerámica

Superficie de fractura de una cerámica reforzada con fibras, compuesta por fibras de SiC y matriz de SiC. El mecanismo de extracción de fibras que se muestra es clave para las p...

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Superficie de fractura de una cerámica reforzada con fibras, compuesta por fibras de SiC y matriz de SiC. El mecanismo de extracción de fibras que se muestra es clave para las propiedades del CMC.
manguitos de eje CMC

En ciencia de los materiales, los compuestos de matriz cerámica ( CMC ) son un subgrupo de los materiales compuestos y un subgrupo de las cerámicas . Consisten en fibras cerámicas incrustadas en una matriz cerámica . Tanto las fibras como la matriz pueden estar compuestas de cualquier material cerámico, incluyendo carbono y fibras de carbono .

Introducción

La motivación para desarrollar los CMC fue superar los problemas asociados con las cerámicas técnicas convencionales como la alúmina , el carburo de silicio , el nitruro de aluminio , el nitruro de silicio o la zirconia : se fracturan fácilmente bajo cargas mecánicas o termomecánicas debido a grietas iniciadas por pequeños defectos o arañazos. La resistencia a la fisuración es muy baja, como en el vidrio . 

Para aumentar la resistencia a las grietas o la tenacidad a la fractura , se incrustaron partículas (denominadas microfibras o plaquetas monocristalinas ) en la matriz. Sin embargo, la mejora fue limitada y estos productos solo se utilizaron en algunas herramientas de corte cerámicas.

La integración de fibras largas multifilamento ha incrementado drásticamente la resistencia a la fisuración, la elongación y la resistencia al choque térmico , dando lugar a diversas aplicaciones nuevas. Los refuerzos utilizados en los compuestos de matriz cerámica (CMC) mejoran la tenacidad a la fractura del sistema de materiales combinado, aprovechando al mismo tiempo la elevada resistencia y el módulo de Young inherentes a la matriz cerámica.

La forma de refuerzo más común es una fibra cerámica de longitud continua, con un módulo elástico generalmente algo menor que el de la matriz. La función de esta fibra es (1) aumentar la tensión del CMC para facilitar la propagación de microfisuras a través de la matriz, incrementando así la energía consumida durante la propagación de las fisuras; y (2) cuando comienzan a formarse fisuras pasantes a través del CMC a mayor tensión (tensión límite proporcional, LLP), unir estas fisuras sin fracturarse, proporcionando así al CMC una alta resistencia a la tracción máxima (UTS). De esta manera, los refuerzos de fibra cerámica no solo aumentan la resistencia inicial de la estructura compuesta a la propagación de fisuras, sino que también permiten que el CMC evite la fractura frágil abrupta característica de las cerámicas monolíticas.

Este comportamiento es distinto al de las fibras cerámicas en los compuestos de matriz polimérica (PMC) y los compuestos de matriz metálica (MMC), donde las fibras suelen fracturarse antes que la matriz debido a la mayor capacidad de deformación por rotura de estas matrices.

Las fibras de carbono (C), carburo de silicio especial ( SiC), alúmina ( Al₂O₃ ) y mullita ( Al₂O₃ − SiO₂ ) son las más utilizadas para los CMC. Los materiales de la matriz suelen ser los mismos, es decir, C, SiC, alúmina y mullita. En ciertos sistemas cerámicos, incluidos el SiC y el nitruro de silicio , los procesos de crecimiento anormal de grano pueden dar lugar a una microestructura que exhibe granos grandes y alargados en una matriz de granos redondeados más finos. Las microestructuras derivadas del crecimiento anormal de grano exhiben endurecimiento debido al puenteo y la desviación de grietas por los granos alargados, lo que puede considerarse como un refuerzo de fibra producido in situ. Recientemente, se investigaron las cerámicas de ultra alta temperatura (UHTC) como matriz cerámica en una nueva clase de CMC denominadas compuestos de matriz cerámica de ultra alta temperatura (UHTCMC) o compuestos cerámicos de ultra alta temperatura (UHTCC). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

Generalmente, los nombres de los CMC incluyen una combinación del tipo de fibra y el tipo de matriz . Por ejemplo, C/C significa carbono reforzado con fibra de carbono ( carbono/carbono ), o C/SiC , carburo de silicio reforzado con fibra de carbono. A veces se incluye el proceso de fabricación, y un compuesto C/SiC fabricado mediante el proceso de infiltración de polímero líquido (LPI) (véase más abajo) se abrevia como LPI-C/SiC .

Los materiales compuestos de matriz cerámica ( CMC) más importantes disponibles comercialmente son C/C, C/SiC, SiC/SiC y Al₂O₃/Al₂O₃ . Se diferencian de las cerámicas convencionales en las siguientes propiedades, que se presentan con más detalle a continuación :

Fabricar

Los procesos de fabricación suelen constar de los siguientes tres pasos:

  1. Disposición y fijación de las fibras, dándoles la forma deseada.
  2. Infiltración del material de la matriz
  3. Mecanizado final y, si es necesario, tratamientos adicionales como recubrimiento o impregnación de la porosidad intrínseca .

El primer y el último paso son prácticamente iguales para todos los CMC: En el primer paso, las fibras, a menudo llamadas mechas, se disponen y fijan utilizando técnicas empleadas en materiales plásticos reforzados con fibra, como el laminado de tejidos , el bobinado de filamentos, el trenzado y el anudado . El resultado de este procedimiento se denomina preforma de fibra o simplemente preforma .

Para el segundo paso, se utilizan cinco procedimientos diferentes para rellenar la matriz cerámica entre las fibras de la preforma:

  1. Deposición a partir de una mezcla de gases
  2. Pirólisis de un polímero precerámico
  3. Reacción química de los elementos
  4. Sinterización a una temperatura relativamente baja en el rango de 1000–1200 °C (1830–2190 °F)  
  5. Deposición electroforética de un polvo cerámico

Los procedimientos uno, dos y tres se aplican a los CMC no óxidos, mientras que el cuarto se utiliza para los CMC óxidos; también se emplean combinaciones de estos procedimientos. El quinto procedimiento aún no se ha consolidado en los procesos industriales. Todos los procedimientos presentan subvariantes que difieren en detalles técnicos. Todos ellos dan como resultado un material poroso.

El tercer y último paso del mecanizado ( rectificado , taladrado , lapeado o fresado ) debe realizarse con herramientas de diamante. Los CMC también pueden procesarse mediante chorro de agua , láser o mecanizado ultrasónico .  

fibras cerámicas

Micrografía de un compuesto cerámico SiC/SiC con una estructura de fibra tridimensional tejida.

Las fibras cerámicas en los CMC pueden tener una estructura policristalina , como en las cerámicas convencionales. También pueden ser amorfas o tener una composición química heterogénea , que se desarrolla durante la pirólisis de precursores orgánicos . Las altas temperaturas de proceso requeridas para fabricar CMC impiden el uso de fibras orgánicas, metálicas o de vidrio . Solo se pueden usar fibras estables a temperaturas superiores a 1000 °C (1800 °F) , como fibras de alúmina, mullita, SiC, zirconia o carbono. Las fibras amorfas de SiC tienen una capacidad de elongación superior al 2 % , mucho mayor que en los materiales cerámicos convencionales (0,05 a 0,10 %). [ 6 ] La razón de esta propiedad de las fibras de SiC es que la mayoría de ellas contienen elementos adicionales como oxígeno , titanio y/o aluminio, lo que produce una resistencia a la tracción superior a 3 GPa. Estas propiedades elásticas mejoradas son necesarias para diversas disposiciones de fibras tridimensionales (ver ejemplo en la figura) en la fabricación textil , donde un radio de curvatura pequeño es esencial. [ 7 ]   

Procedimientos de fabricación

Deposición de matriz a partir de una fase gaseosa

La deposición química en fase vapor (CVD) es muy adecuada para este propósito. En presencia de una preforma de fibra, la CVD tiene lugar entre las fibras y sus filamentos individuales, por lo que se denomina infiltración química en fase vapor (CVI). Un ejemplo es la fabricación de compuestos C/C: una preforma de fibra de carbono se expone a una mezcla de argón y un gas hidrocarburo ( metano , propano , etc.) a una presión de alrededor o inferior a 100 kPa y una temperatura superior a 1000  °C. El gas se descompone depositando carbono sobre y entre las fibras. Otro ejemplo es la deposición de carburo de silicio, que generalmente se lleva a cabo a partir de una mezcla de hidrógeno y metiltriclorosilano (MTS, CH₃SiCl₃ ; también es común en la producción de silicona ). Bajo condiciones definidas , esta mezcla de gases deposita carburo de silicio fino y cristalino sobre la superficie caliente dentro de la preforma. [ 8 ] [ 9 ]

Este procedimiento CVI deja un cuerpo con una porosidad de aproximadamente 10-15%, ya que el acceso de los reactivos al interior de la preforma se ve cada vez más bloqueado por la deposición en el exterior.

Formación de matrices mediante pirólisis de polímeros que contienen carbono y silicio.

Los polímeros de hidrocarburos se contraen durante la pirólisis y, al desgasificarse , forman carbono con una estructura amorfa, similar al vidrio, que mediante un tratamiento térmico adicional puede transformarse en una estructura más parecida al grafito . Otros polímeros especiales, conocidos como polímeros precerámicos , en los que algunos átomos de carbono se sustituyen por átomos de silicio (los llamados policarbosilanos) , producen carburo de silicio amorfo de composición más o menos estequiométrica . Ya existe una gran variedad de precursores de carburo de silicio , oxicarburo de silicio , carbonitruro de silicio y oxinitruro de silicio, y se están desarrollando más polímeros precerámicos para la fabricación de cerámicas derivadas de polímeros . [ 10 ] Para fabricar un material CMC, la preforma de fibra se infiltra con el polímero elegido. El curado y la pirólisis posteriores producen una matriz altamente porosa, indeseable para la mayoría de las aplicaciones. Se realizan ciclos adicionales de infiltración de polímero y pirólisis hasta alcanzar la calidad final deseada. Normalmente, son necesarios entre cinco y ocho ciclos. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

El proceso se denomina infiltración de polímero líquido (LPI) o infiltración y pirólisis de polímero (PIP). En este caso, también es común una porosidad de aproximadamente el 15 % debido a la contracción del polímero. La porosidad se reduce después de cada ciclo.

Formación de matriz mediante reacción química

Con este método, un material ubicado entre las fibras reacciona con un segundo material para formar la matriz cerámica. Algunas cerámicas convencionales también se fabrican mediante reacciones químicas . Por ejemplo, el nitruro de silicio unido por reacción (RBSN) se produce a través de la reacción de polvo de silicio con nitrógeno, y el carbono poroso reacciona con silicio para formar carburo de silicio unido por reacción , un carburo de silicio que contiene inclusiones de una fase de silicio. Un ejemplo de fabricación de CMC, que se introdujo para la producción de discos de freno cerámicos , es la reacción de silicio con una preforma porosa de C/C. [ 14 ] La temperatura del proceso es superior a 1414 °C (2577 °F) , es decir, superior al punto de fusión del silicio, y las condiciones del proceso se controlan de manera que las fibras de carbono de la preforma de C/C conserven casi por completo sus propiedades mecánicas. Este proceso se llama infiltración de silicio líquido (LSI). A veces, y debido a su punto de partida con C/C, el material se abrevia como C/C-SiC . El material producido mediante este proceso tiene una porosidad muy baja, de aproximadamente el 3%.  

Formación de matriz mediante sinterización

Este proceso se utiliza para fabricar materiales CMC de fibra de óxido/matriz de óxido. Dado que la mayoría de las fibras cerámicas no soportan las temperaturas de sinterización normales superiores a 1600 °C (2910 °F) , se utilizan líquidos precursores especiales para infiltrar la preforma de fibras de óxido. Estos precursores permiten la sinterización, es decir , los procesos de formación de cerámica, a temperaturas de 1000–1200 °C. Se basan, por ejemplo, en mezclas de polvo de alúmina con los líquidos tetraetilortosilicato (como donante de Si) y butilato de aluminio (como donante de Al), que dan como resultado una matriz de mullita. También se utilizan otras técnicas, como la química del proceso sol-gel . Los CMC obtenidos con este proceso suelen tener una alta porosidad de aproximadamente el 20 %. [ 15 ] [ 16 ]   

Matriz formada mediante electroforesis

En el proceso electroforético , partículas cargadas eléctricamente, dispersas en un líquido especial, se transportan mediante un campo eléctrico hacia la preforma, que tiene polaridad de carga eléctrica opuesta. Este proceso está en desarrollo y aún no se utiliza industrialmente. [ 17 ] [ 18 ] Cabe esperar cierta porosidad residual.

Propiedades

Esquema de puentes de grietas en la punta de la grieta de compuestos cerámicos.

Propiedades mecánicas

Mecanismo básico de las propiedades mecánicas

La elevada tenacidad a la fractura o resistencia a la fisuración mencionada anteriormente se debe al siguiente mecanismo: bajo carga, la matriz cerámica se fisura, como cualquier material cerámico, con una elongación de aproximadamente el 0,05 %. En los CMC, las fibras incrustadas unen estas fisuras (véase la imagen). Este mecanismo solo funciona cuando la matriz puede deslizarse a lo largo de las fibras, lo que implica que debe existir una unión débil entre las fibras y la matriz. Una unión fuerte requeriría una capacidad de elongación muy elevada de la fibra que une la fisura y daría lugar a una fractura frágil, como en las cerámicas convencionales. La producción de material CMC con alta resistencia a la fisuración requiere un paso para debilitar esta unión entre las fibras y la matriz. Esto se consigue depositando una fina capa de carbono pirolítico o nitruro de boro sobre las fibras, lo que debilita la unión en la interfaz fibra/matriz, provocando la extracción de la fibra en las superficies de fisura, como se muestra en la imagen SEM al inicio de este artículo. En los CMC de óxido, la alta porosidad de la matriz es suficiente para establecer una unión débil.

Propiedades bajo cargas de tracción y flexión, resistencia al agrietamiento

Curvas de mediciones de tenacidad de varios compuestos cerámicos y SiSiC [ 19 ] Leyenda: SiSiC: SiSiC convencional , SiCSiC(CVI) y CSiC(CVI): SiC/SiC y C/SiC fabricados en procesos CVI, CSiC(95) y CSiC(93): C/SiC fabricado por el método LPI, Ox(PP): compuesto cerámico de óxido, CSiC(Si): C/SiC fabricado mediante el proceso LSI.

La influencia y la calidad de la interfaz de la fibra se pueden evaluar mediante propiedades mecánicas. Se realizaron mediciones de la resistencia a la fisuración con probetas entalladas (véase la figura) en los denominados ensayos de flexión con entalla de borde único (SENB). En mecánica de la fractura , los datos medidos (fuerza, geometría y superficie de la fisura) se normalizan para obtener el denominado factor de intensidad de tensión (SIF), K Ic . Debido a la compleja superficie de la fisura (véase la figura en la parte superior de este artículo), no se puede determinar el área real de la superficie de la fisura para los materiales CMC. Por lo tanto, las mediciones utilizan la entalla inicial como superficie de la fisura, lo que da como resultado el SIF formal que se muestra en la figura. Esto requiere una geometría idéntica para comparar diferentes muestras. El área bajo estas curvas proporciona una indicación relativa de la energía necesaria para impulsar la punta de la fisura a través de la muestra (la fuerza multiplicada por la longitud del recorrido da la energía). Los máximos indican el nivel de carga necesario para propagar la fisura a través de la muestra. En comparación con la muestra de cerámica SiSiC convencional, se pueden hacer dos observaciones:

  • Todos los materiales CMC analizados requieren hasta varios órdenes de magnitud más de energía para que la grieta se propague a través del material.
  • La fuerza necesaria para la propagación de grietas varía entre los diferentes tipos de materiales compuestos de matriz cerámica (CMC).

En la tabla, CVI, LPI y LSI indican el proceso de fabricación del material C/SiC. Los datos sobre el CMC de óxido y el SiSiC se obtuvieron de las hojas de datos del fabricante. La resistencia a la tracción del SiSiC y del Al₂O₃ se calculó a partir de mediciones de elongación a la fractura y módulo de Young , ya que generalmente solo se dispone de datos de resistencia a la flexión para estas cerámicas. En la tabla se muestran los valores promedio, y es posible que existan diferencias significativas, incluso dentro de una misma ruta de fabricación.

Curva tensión-deformación de un ensayo de tracción para CVI-SiC/SiC

Los ensayos de tracción de los materiales compuestos de matriz cerámica (CMC) suelen mostrar curvas de tensión-deformación no lineales, que dan la impresión de que el material se deforma plásticamente. Este fenómeno se denomina cuasiplástico , ya que se debe a las microfisuras que se forman y se cierran al aumentar la carga. Dado que el módulo de Young de las fibras que soportan la carga suele ser inferior al de la matriz, la pendiente de la curva disminuye al aumentar la carga.

Las curvas obtenidas en los ensayos de flexión son similares a las de las mediciones de resistencia al agrietamiento mostradas anteriormente.

Las siguientes características son esenciales para evaluar los datos de flexión y tracción de los CMC:

  • Los materiales CMC con un bajo contenido de matriz (hasta cero) tienen una alta resistencia a la tracción (cercana a la resistencia a la tracción de la fibra), pero una baja resistencia a la flexión .
  • Los materiales CMC con un bajo contenido de fibra (incluso nulo) presentan una alta resistencia a la flexión (cercana a la de la cerámica monolítica), pero no experimentan una elongación superior al 0,05 % bajo carga de tracción.

El criterio de calidad principal para los CMC es su resistencia al agrietamiento o tenacidad a la fractura.

Propiedades de fluencia a alta temperatura

Aunque los CMC pueden operar a temperaturas muy elevadas, la deformación por fluencia sigue ocurriendo alrededor de los 1000  °C, en el rango de ciertas aplicaciones de alta temperatura. [ 20 ] La fluencia actúa sobre la matriz o la fibra, dependiendo de la relación de desajuste de fluencia (CMR) entre la velocidad de deformación efectiva de la fibra y la velocidad de deformación efectiva de la matriz. El componente con la menor velocidad de deformación soporta la carga y es susceptible a la fluencia.

Las tres etapas principales de fluencia están regidas por la relación de desajuste de fluencia. Durante la fluencia primaria, las tensiones internas se transfieren permitiendo que la CMR se aproxime a la unidad, al igual que la etapa de fluencia secundaria. La etapa de fluencia terciaria, donde ocurre la falla, puede estar regida por la fluencia de la fibra, donde la falla ocurre debido a la fractura de la fibra, o por la fluencia de la matriz, que conduce al agrietamiento de la matriz. Por lo general, la resistencia a la fluencia de la matriz es peor que la de la fibra, por lo que la fibra soporta la carga. [ 21 ] Sin embargo, el agrietamiento de la matriz aún puede ocurrir con regiones de fibra débiles, lo que resulta en oxidación en atmósferas oxidantes, debilitando el material. El aumento de la temperatura, la tensión aplicada y las densidades de defectos conducen a una mayor deformación por fluencia y una falla más temprana.

Se puede aplicar una regla de mezclas para determinar la velocidad de deformación del compuesto a partir de las velocidades de deformación de sus componentes. [ 22 ] Para partículas, una simple suma del producto de la fracción del área de la sección transversal y la respuesta a la fluencia de cada componente permite determinar la respuesta total a la fluencia del compuesto. Para fibras, la suma de la respuesta a la fluencia de los componentes dividida por la fracción del área de la sección transversal determina la respuesta total a la fluencia.

Partículas:ϵdor=∑i=1METROiϵdor,i{\displaystyle \epsilon _{cr}=\sum _{i=1}M_{i}\epsilon _{cr,i}}

Fibras:ϵdor=(∑i=1METROiϵdor,i)−1{\displaystyle \epsilon _{cr}=(\sum _{i=1}{\frac {M_{i}}{\epsilon _{cr,i}}})^{-1}}

dóndeϵdor{\displaystyle \epsilon _{cr}}es la respuesta de deslizamiento yMETROi{\displaystyle M_{i}}es la fracción del área de la sección transversal constituyente.

Otras propiedades mecánicas

En muchos componentes de CMC, las fibras se disponen como tejidos planos o satinados apilados en 2D . Por lo tanto, el material resultante es anisotrópico o, más específicamente, ortotrópico . Las fibras no unen las grietas entre las capas. En consecuencia, la resistencia al corte interlaminar (ILS) y la resistencia perpendicular a la orientación de las fibras en 2D son bajas en estos materiales. La delaminación puede ocurrir fácilmente bajo ciertas cargas mecánicas. Las estructuras de fibras tridimensionales pueden mejorar esta situación (véase la micrografía anterior).

Las resistencias a la compresión que se muestran en la tabla son inferiores a las de las cerámicas convencionales, donde son comunes valores superiores a 2000 MPa; esto se debe a la porosidad.

Ensayo de fatiga de bajo ciclo controlada por deformación para una muestra de CVI-SiC/SiC.

La estructura compuesta permite soportar cargas dinámicas elevadas. En los ensayos de fatiga de bajo ciclo (LCF) o de alto ciclo (HCF), el material se somete a cargas cíclicas de tracción y compresión (LCF) o solo de tracción (HCF). Cuanto mayor sea la tensión inicial, menor será la vida útil y menor el número de ciclos hasta la rotura. Con una carga inicial del 80 % de la resistencia, una muestra de SiC/SiC resistió aproximadamente 8 millones de ciclos (véase la figura).

El coeficiente de Poisson muestra una anomalía cuando se mide perpendicularmente al plano del tejido, debido a que las grietas interlaminarias aumentan el espesor de la muestra.

Propiedades térmicas y eléctricas

Las propiedades térmicas y eléctricas del material compuesto dependen de sus componentes: fibras, matriz y poros, así como de su composición. La orientación de las fibras genera datos anisotrópicos. Los materiales compuestos de matriz cerámica de óxido son excelentes aislantes eléctricos y, debido a su alta porosidad, su aislamiento térmico es mucho mejor que el de las cerámicas de óxido convencionales.

El uso de fibras de carbono aumenta la conductividad eléctrica , siempre que las fibras estén en contacto entre sí y con la fuente de voltaje. La matriz de carburo de silicio es un buen conductor térmico. Eléctricamente, es un semiconductor , por lo que su resistencia disminuye al aumentar la temperatura. En comparación con el SiC (poli)cristalino, las fibras de SiC amorfo son conductores relativamente deficientes de calor y electricidad.

Comentarios sobre la tabla: (p) y (v) se refieren a datos paralelos y verticales a la orientación de las fibras de la estructura de fibra 2D, respectivamente. El material LSI tiene la conductividad térmica más alta debido a su baja porosidad , una ventaja cuando se utiliza para discos de freno. Estos datos están sujetos a dispersión dependiendo de los detalles de los procesos de fabricación. [ 23 ] 

Las cerámicas convencionales son muy sensibles al estrés térmico debido a su alto módulo de Young y baja capacidad de elongación. Las diferencias de temperatura y la baja conductividad térmica generan elongaciones localmente diferentes, lo que, junto con el alto módulo de Young, produce un estrés elevado. Esto da lugar a grietas, roturas y fracturas frágiles. En los CMC, las fibras unen las grietas y los componentes no presentan daños macroscópicos, incluso si la matriz se ha agrietado localmente. La aplicación de CMC en discos de freno demuestra la eficacia de los materiales compuestos cerámicos en condiciones de choque térmico extremo.

Propiedades de corrosión

Los datos sobre el comportamiento de corrosión de los CMC son escasos, excepto en lo que respecta a la oxidación a temperaturas superiores a 1000  °C. Estas propiedades están determinadas por sus componentes, es decir, las fibras y la matriz. Los materiales cerámicos, en general, son muy estables a la corrosión. El amplio espectro de técnicas de fabricación con diferentes aditivos de sinterización, mezclas, fases vítreas y porosidades es crucial para los resultados de las pruebas de corrosión. Menos impurezas y una estequiometría exacta conducen a una menor corrosión. Las estructuras amorfas y los productos químicos no cerámicos frecuentemente utilizados como auxiliares de sinterización son puntos de partida del ataque corrosivo. [ 24 ] [ 25 ]

Alúmina

La alúmina pura presenta una excelente resistencia a la corrosión frente a la mayoría de los productos químicos. Las fases amorfas de vidrio y sílice en los límites de grano determinan la velocidad de corrosión en ácidos y bases concentrados , y provocan deformación plástica a altas temperaturas. Estas características limitan el uso de la alúmina. En metales fundidos, la alúmina se utiliza únicamente con oro y platino.

fibras de alúmina

Estas fibras presentan propiedades anticorrosivas similares a las de la alúmina, pero las fibras disponibles comercialmente no son muy puras y, por lo tanto, son menos resistentes. Debido a la deformación plástica a temperaturas superiores a 1000  °C, las aplicaciones de los compuestos de matriz cerámica de óxido son limitadas.

Carbón

La corrosión más significativa del carbono se produce en presencia de oxígeno a temperaturas superiores a 500 °C (932 °F) . Arde formando dióxido de carbono y/o monóxido de carbono . También se oxida en presencia de agentes oxidantes fuertes, como el ácido nítrico concentrado . En metales fundidos, se disuelve y forma carburos metálicos . Las fibras de carbono no difieren del carbono en su comportamiento frente a la corrosión.  

carburo de silicio

El carburo de silicio puro es uno de los materiales más resistentes a la corrosión. Solo las bases fuertes, el oxígeno por encima de unos 800 °C (1470 °F) y los metales fundidos reaccionan con él para formar carburos y siliciuros . La reacción con el oxígeno forma SiO₂ y CO₂ , por lo que una capa superficial de SiO₂ ralentiza la oxidación posterior ( oxidación pasiva ). Las temperaturas superiores a unos 1600 °C (2910 °F) y una baja presión parcial de oxígeno dan lugar a la denominada oxidación activa , en la que se forman CO, CO₂ y SiO₂ gaseoso, lo que provoca una rápida pérdida de SiC. Si la matriz de SiC se produce de forma distinta a la deposición química en fase vapor (CVI), la resistencia a la corrosión no es tan buena. Esto es consecuencia de la porosidad en el LPI amorfo y del silicio residual en la matriz LSI.    

fibras de carburo de silicio

Las fibras de carburo de silicio se producen mediante pirólisis de polímeros orgánicos, por lo que sus propiedades anticorrosivas son similares a las del carburo de silicio presente en las matrices LPI. Por consiguiente, estas fibras son más sensibles a las bases y a los medios oxidantes que el carburo de silicio puro.

Aplicaciones

Los materiales CMC superan las principales desventajas de las cerámicas técnicas convencionales, a saber, la fractura frágil, la baja tenacidad a la fractura y la limitada resistencia al choque térmico. Por lo tanto, sus aplicaciones se encuentran en campos que requieren fiabilidad a altas temperaturas (más allá de la capacidad de los metales) y resistencia a la corrosión y al desgaste. [ 26 ] Estos incluyen:

Además de lo anterior, los CMC se pueden utilizar en aplicaciones que emplean cerámicas convencionales o en las que los componentes metálicos tienen una vida útil limitada debido a la corrosión o a las altas temperaturas.

Desarrollos para aplicaciones en el espacio

Durante la fase de reentrada de las naves espaciales, el sistema de protección térmica se expone a temperaturas superiores a 1500 °C (2730 °F) durante unos minutos. Solo los materiales cerámicos pueden soportar estas condiciones sin sufrir daños significativos, y entre las cerámicas, solo los CMC pueden soportar adecuadamente los choques térmicos. El desarrollo de sistemas de protección térmica basados ​​en CMC promete las siguientes ventajas:  

  • Peso reducido
  • Mayor capacidad de carga del sistema
  • Reutilización para varias reentradas
  • Mejor control durante la fase de reentrada con sistemas de flaps CMC
El vehículo espacial X-38 de la NASA durante un vuelo de prueba.
Par de aletas de dirección para el NASA X-38. Dimensiones: 1,5 × 1,5 × 0,15 m; masa: 68 kg cada una; los diversos componentes se montan utilizando más de 400 tornillos y tuercas CVI-C/SiC.

En estas aplicaciones, las altas temperaturas impiden el uso de CMC de fibra de óxido, ya que bajo las cargas previstas la fluencia sería demasiado elevada. Las fibras de carburo de silicio amorfo pierden su resistencia debido a la recristalización a temperaturas superiores a 1250 °C (2280 °F) . Por lo tanto, en los programas de desarrollo para estas aplicaciones se utilizan fibras de carbono en una matriz de carburo de silicio (C/SiC). El programa europeo HERMES de la ESA , iniciado en la década de 1980 y abandonado en 1992 por razones financieras, ha producido los primeros resultados. Varios programas posteriores se centraron en el desarrollo, la fabricación y la cualificación de la tapa del morro, los bordes de ataque y los flaps de dirección para el vehículo espacial X-38 de la NASA . [ 27 ] [ 28 ]  

Este programa de desarrollo ha validado el uso de pernos y tuercas de C/SiC [ 29 ] y el sistema de cojinetes de los flaps. Estos últimos fueron probados en tierra en el DLR en Stuttgart, Alemania, bajo las condiciones esperadas de la fase de reentrada: 1600 °C (2910 °F) , carga de 4 toneladas , presión parcial de oxígeno similar a las condiciones de reentrada y movimientos simultáneos de cojinetes de cuatro ciclos por segundo. Se simularon un total de cinco fases de reentrada. [ 30 ] El diseño y la fabricación de los dos flaps de dirección y sus cojinetes, tornillos y tuercas fueron realizados por MT Aerospace en Augsburgo, Alemania, basándose en el proceso CVI para la producción de carburo de silicio reforzado con fibra de carbono (véanse los procedimientos de fabricación anteriores). Además, se desarrollaron y validaron sistemas de protección contra la oxidación para evitar la quemadura de las fibras de carbono. Después del montaje de los flaps, la NASA realizó con éxito pruebas mecánicas en tierra en Houston, Texas, EE. UU. La siguiente prueba , una reentrada real del vehículo no tripulado X-38 , fue cancelada por razones financieras. Uno de los transbordadores espaciales habría puesto el vehículo en órbita, desde donde habría regresado a la Tierra.    

Estas características resultaban prometedoras únicamente para esta aplicación. La carga a alta temperatura dura solo unos 20 minutos por reentrada, y para garantizar su reutilización, bastarían unos 30 ciclos. Sin embargo, para aplicaciones industriales en un entorno de gas caliente, se requieren varios cientos de ciclos de carga térmica y hasta miles de horas de vida útil.

El Vehículo Experimental Intermedio (IXV), un proyecto iniciado por la ESA en 2009, [ 31 ] es el primer vehículo de reentrada de cuerpo sustentador de Europa. Desarrollado por Thales Alenia Space , el IXV tenía previsto realizar su primer vuelo en 2014 en la cuarta misión Vega (VV04) sobre el Golfo de Guinea. Más de 40 empresas europeas contribuyeron a su construcción. El sistema de protección térmica para la parte inferior del vehículo, que comprende la nariz, los bordes de ataque y la superficie inferior del ala, fue diseñado y fabricado por Herakles [ 32 ] utilizando un compuesto de matriz cerámica (CMC), carbono/carburo de silicio (C/SiC), en este caso basado en el proceso de infiltración de silicio líquido (LSI) (véanse los procedimientos de fabricación anteriores). Estos componentes debían funcionar como escudo térmico del vehículo durante su reentrada atmosférica. [ 33 ]

La Comisión Europea financió en 2016 un proyecto de investigación, C3HARME, en el marco de la convocatoria NMP-19-2015 de los Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico (H2020) para el diseño, desarrollo, producción y ensayo de una nueva clase de compuestos de matriz cerámica de ultra alta temperatura (UHTCMC) reforzados con fibras de carburo de silicio y fibras de carbono , adecuados para aplicaciones en entornos aeroespaciales severos, como sistemas de propulsión y sistemas de protección térmica (TPS). [ 34 ]

Novedades en componentes para turbinas de gas

El uso de CMC en turbinas de gas permite temperaturas de entrada más altas, lo que mejora la eficiencia del motor. Debido a la compleja forma de los álabes del estator y de la turbina, el desarrollo se centró inicialmente en la cámara de combustión. En EE. UU., se probó con éxito durante 15 000 horas un combustor de SiC/SiC con una fibra especial de SiC de mayor estabilidad a altas temperaturas. [ 35 ] La oxidación del SiC se redujo sustancialmente mediante el uso de un recubrimiento de protección contra la oxidación compuesto por varias capas de óxidos. [ 36 ]

La colaboración entre General Electric y Rolls-Royce en el desarrollo de motores estudió el uso de álabes de estator de CMC en la sección caliente del F136 , un motor turbofán que no logró superar al Pratt & Whitney F135 para su uso en el F-35 Joint Strike Fighter . Una empresa conjunta de motores, CFM International , está utilizando CMC para fabricar las cubiertas de turbina de alta temperatura. [ 37 ] General Electric está utilizando CMC en los revestimientos de la cámara de combustión, las toberas y la cubierta de turbina de alta temperatura para su próximo motor GE9X. [ 38 ] También se están estudiando piezas de CMC para aplicaciones estacionarias tanto en las secciones frías como calientes de los motores, ya que las tensiones impuestas a las piezas giratorias requerirían un mayor esfuerzo de desarrollo. En general, el desarrollo de CMC para su uso en turbinas continúa para reducir problemas técnicos y costos.

Tras una inversión de 1.500 millones de dólares y 20 años de investigación y desarrollo , GE Aviation prevé producir anualmente hasta 20 t (44 000 lb) de preimpregnado de CMC y 10 t de fibra de carburo de silicio para 2020. La deposición química de vapor permite aplicar recubrimientos en grandes cantidades sobre una cinta de fibra moldeable, y GE logró infiltrar y fundir piezas con densidades de silicio muy elevadas, superiores al 90 % para entornos de fatiga cíclica , gracias al procesamiento térmico. [ 39 ]  

EBC para proteger los componentes de las turbinas de gas

Los recubrimientos de barrera ambiental (EBC, por sus siglas en inglés) proporcionan una barrera a los CMC para reducir la cantidad de oxígeno y otras sustancias corrosivas que se difunden a través de la superficie de los componentes de CMC.  

Requisitos de diseño para EBC:

  • Ajuste del coeficiente relativo con el componente CMC para reducir la probabilidad de agrietamiento.
  • Baja volatilidad para minimizar la corrosión/recesión inducida por el estado estacionario.
  • Resistente a partículas fundidas ingeridas
  • Capacidad de alta temperatura
  • Estabilidad de fase a altas temperaturas
  • Compatibilidad química con la CMC y capas adicionales
  • Alta dureza y tenacidad para proteger contra daños por objetos extraños (FOD) y erosión.

Normalmente, al aplicar un recubrimiento EBC, se requiere una capa de unión para asegurar una buena adherencia al componente CMC. La NASA ha desarrollado un EBC en forma de suspensión que comienza con un recubrimiento a base de mullita antes de aplicarle 2 o 3 capas adicionales. [ 40 ] Para que los EBC protejan eficazmente la superficie del CMC, se deben agregar aditivos de sinterización a la suspensión para crear un recubrimiento denso que impida la penetración de oxígeno, gases y depósitos fundidos del motor. La sinterización crea un recubrimiento densificado y mejora la adherencia y el rendimiento del recubrimiento.

Actualmente, se están realizando investigaciones para combatir modos de falla comunes como la delaminación, la erosión y el agrietamiento causados ​​por depósitos de vapor o fundidos. La delaminación y el agrietamiento debido a depósitos fundidos generalmente se deben a la reacción con el EBC que crea una microestructura inesperada que conduce a una discrepancia en el CTE y una baja tenacidad en esa fase. La degradación por vapor se debe a la volatilización de la capa de óxido formada térmicamente entre el EBC y la cerámica. El vapor producido a partir de esto conduce a una rápida recesión del SiC, es decir, degradación del EBC. [ 41 ]   El éxito de los EBC es imperativo para el éxito general de los componentes CMC en el flujo de gas de la turbina en los motores a reacción.

Beneficios generales de los EBC:

  • Prolonga la vida útil de los componentes CMC, lo que permite un ahorro general de costes en la producción de motores a reacción.
  • Mejora la resistencia a la oxidación de los componentes de CMC.
  • Proporciona mayor resistencia a la oxidación a los componentes de CMC expuestos a compuestos gaseosos del motor a reacción.

Aplicación de CMC de óxido en quemadores y conductos de gas caliente

El gas que contiene oxígeno a temperaturas superiores a 1000 °C (1800 °F) es bastante corrosivo para los componentes de metal y carburo de silicio. Dichos componentes, que no están expuestos a altas tensiones mecánicas, pueden fabricarse con CMC de óxido, que pueden soportar temperaturas de hasta 1200 °C (2190 °F) . La galería a continuación muestra el soporte de llama de una panadería de pan crujiente , probado después de 15 000 horas, que posteriormente funcionó durante un total de más de 20 000 horas. [ 42 ]    

Las compuertas y los ventiladores que hacen circular gases calientes que contienen oxígeno pueden fabricarse con la misma forma que sus equivalentes metálicos. La vida útil de estos componentes de CMC de óxido es varias veces mayor que la de los metales, que a menudo se deforman. Otro ejemplo es una compuerta elevadora de CMC de óxido para un horno de sinterización, que ha soportado más de 260 000 ciclos de apertura. [ 43 ]

Aplicación en discos de freno

Los materiales de carbono/carbono (C/C) se utilizan en los frenos de disco de coches de carreras y aviones , y los discos de freno C/SiC fabricados mediante el proceso LSI han sido homologados y están disponibles comercialmente para coches deportivos . Las ventajas de estos discos C/SiC son:

  • Los fabricantes prevén un desgaste mínimo, lo que se traduce en una vida útil de 300.000 km (190.000 millas) para un coche con una carga de conducción normal.  
  • No se observa pérdida de calidad , incluso bajo cargas elevadas.
  • No se observa ningún efecto de la humedad superficial sobre el coeficiente de fricción, como ocurre en los discos de freno C/C.
  • La resistencia a la corrosión, por ejemplo a la sal de carretera, es mucho mejor que la de los discos metálicos.
  • La masa del disco es solo el 40% de la de un disco metálico. Esto se traduce en una menor masa no suspendida y en una menor masa giratoria.

La reducción de peso mejora la respuesta de los amortiguadores, la comodidad de la conducción, la agilidad, el ahorro de combustible y, por lo tanto, la comodidad al conducir. [ 44 ]

La matriz de SiC del LSI presenta una porosidad muy baja, lo que protege eficazmente las fibras de carbono. Los discos de freno no alcanzan temperaturas superiores a 500 °C (932 °F) durante más de unas pocas horas a lo largo de su vida útil. Por lo tanto, la oxidación no representa un problema en esta aplicación. La reducción de los costes de fabricación será clave para el éxito de esta aplicación en vehículos de gama media.  

Aplicación en cojinetes deslizantes

Componentes para un cojinete deslizante cerámico; la imagen muestra un cojinete de SiC sinterizado para un cojinete deslizante hidrostático y un manguito de eje de SiC/CVI ajustado por contracción sobre metal, un sistema probado con oxígeno líquido como lubricante.

El SiC convencional, o a veces el SiSiC menos costoso , se han utilizado con éxito durante más de 25 años en cojinetes deslizantes o de bancada de bombas . [ 45 ] El propio líquido bombeado proporciona el lubricante para el cojinete. Una muy buena resistencia a la corrosión frente a prácticamente todo tipo de fluidos, y coeficientes de desgaste y fricción muy bajos son la base de este éxito. Estos cojinetes constan de un cojinete estático, ajustado por contracción en su entorno metálico, y un manguito de eje giratorio, montado en el eje. Bajo tensión de compresión, el cojinete estático cerámico tiene un bajo riesgo de fallo, pero un manguito de eje de SiC no presenta esta situación y, por lo tanto, debe tener un gran espesor de pared y/o estar especialmente diseñado. En bombas grandes con ejes de 100–350 mm (3,9–13,8 in) de diámetro, el riesgo de fallo es mayor debido a los requisitos cambiantes en el rendimiento de la bomba , por ejemplo, cambios de carga durante el funcionamiento. La introducción de SiC/SiC como material para el manguito del eje ha demostrado ser muy exitosa. Los experimentos en banco de pruebas mostraron una capacidad de carga específica casi tres veces mayor del sistema de cojinete con un manguito de eje hecho de SiC/SiC, SiC sinterizado como cojinete estático y agua a 80 °C (176 °F) como lubricante. [ 46 ] La capacidad de carga específica de un cojinete se suele dar en W /mm² y se calcula como el producto de la carga (MPa), la velocidad superficial del cojinete (m/s) y el coeficiente de fricción; es igual a la pérdida de potencia del sistema de cojinete debido a la fricción.     

Este concepto de cojinete deslizante, es decir, manguito de eje SiC/SiC y cojinete SiC, se ha utilizado desde 1994 en aplicaciones como en las bombas de agua de alimentación de calderas de centrales eléctricas , [ 46 ] que bombean varios miles de metros cúbicos de agua caliente a un nivel de 2000 m (6600 pies) , y en bombas de carcasa tubular [ 47 ] para plantas de tratamiento de agua o plantas desalinizadoras de agua de mar , bombeando hasta 40 000 m³ (1 400 000 pies cúbicos ) a un nivel de alrededor de 20 m (66 pies) .       

Este sistema de cojinetes se ha probado en bombas de oxígeno líquido , por ejemplo, en turbobombas de oxígeno para motores de empuje de cohetes espaciales, con los siguientes resultados: SiC y SiC/SiC son compatibles con el oxígeno líquido. En una prueba de autoignición según la norma francesa NF 28-763, no se observó autoignición con SiC/SiC en polvo en oxígeno puro a 20 bar y temperaturas de hasta 525 °C (977 °F) . Las pruebas han demostrado que el coeficiente de fricción es la mitad y el desgaste una quincuagésima parte de los metales estándar utilizados en este entorno. [ 48 ] Un sistema de cojinete hidrostático (ver imagen) ha soportado varias horas a una velocidad de hasta 10 000 revoluciones por minuto, diversas cargas y 50 ciclos de arranque/parada transitorios sin rastros significativos de desgaste. [ 49 ]  

Otras aplicaciones y desarrollos

Véase también

Referencias

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