En virtud de su fragilidad, el mayor defecto de las cerámicas, éstas se comportan, como matrices en los materiales compuestos., de forma completamente distinta que las poliméricas y metálicas. Efectivamente, en los materiales compuestos de matriz metálica o polimérica, las fibras proporcionan la mayor parte de la resistencia mecánica mientras que la matriz, suministra la tenacidad al conjunto. Por el contrario, la matriz cerámica es muy resistente y rígida, pero poco tenaz y, para aumentar su tenacidad se tiene que recurrir a las fibras, largas o cortas (whiskers), para que bloqueen el crecimiento de las grietas que pueda contener la matriz; así, si una grieta en crecimiento se encuentra con una fibra puede desviarse o separar la fibra. Como en ambos procesos se consume energía, se retrasa o detiene el avance de la grieta.
A continuación comentaremos una serie de cerámicas tenaces reforzadas con whiskers, y otra de «compositas» a base de cerámicas de distintos tipos, por las que se obtienen unas características mecánicas muy superiores a las de las cerámicas sin reforzar. Asimismo, se reseñan sus procesos de fabricación.
Cerámicas tenaces reforzadas con “Whiskers”
En este campo se han encontrado ciertos óxidos cerámicos tenaces que mejoran sensiblemente su resistencia a las grietas, al reforzar aquéllas con «whiskers» monocristalinos de muy alta resistencia y rigidez; como se sabe la denominación «whisker» comprende a todas aquellas fibras muy cortas, y de diámetro próximo a la micra.
Se ha observado que la adición de un 20% en volumen, aproximadamente, de whiskers de SiC en una matriz de Al2O3 (alúmina) ó SiO4Al (mullita), constituyen unos materiales compuestos que alcanzan resistencias a la rotura superiores al doble a los óxidos cerámicos enunciados.
Además, la elevada resistencia de las compositas obtenidas se mantiene cuando la temperatura crece hasta los 1.000 °C.
Controlando convenientemente la proporción de whiskers, su distribución en la matriz, y su adherencia a la misma, se han podido obtener materiales compuestos en los que los whiskers mantienen a las grietas sin desarrollarse, fijándose en la zona de la matriz en donde se han formado. Así pues, aquéllas no pueden progresar sin expulsar o desplazar a los whiskers hacia la periferia de la matriz, para lo cual habría que realizarse un trabajo, es decir, sería preciso una energía adicional por lo que, la presencia de los whiskers inhibe o dificulta el crecimiento de las grietas.
Además, para obtener una pieza cerámica más resistente a fallos instantáneos e imprevistos, el refuerzo de la matriz (cerámica) por los whiskers reduce la probabilidad de fallo en el tiempo, debido a un crecimiento mucho más lento de las grietas cuando a la pieza se la somete a la tensión de servicio.
La resistencia a la rotura mejorada por el procedimiento descrito, significa que se pueden obtener cerámicas reforzadas con «whiskers» de hasta 800 MPa, es decir, 8.120 kg/cm2, con relativamente grandes defectos (por tratarse de cerámicas) de 100 a 200 micras.
En estas condiciones, la gran ventaja de esta nueva «composita» estriba en que, para alcanzar estas elevadas resistencias, con las cerámicas tenaces sin reforzar, el tamaño crítico de los defectos debería mantenerse muy pequeño, menores de 20 micras, en vez de las 200 micras, para las cerámicas reforzadas con «whiskers». Con las técnicas ordinarias de detección de defectos es muy difícil el detectarlos de tamaño tan reducido (20 micras), particularmente en una pieza de forma compleja.
Así pues, otra ventaja de estas «compositas» consiste en la posible utilización de técnicas de inspección convencional, por los productores de cerámicas, para verificar cualquier grieta o defecto que, a pesar de su tamaño (200 micras), no afecten a las piezas de resistencia elevada.
Estas «compositas», de matriz cerámica reforzada con «whiskers», pueden fabricarse directamente por las técnicas de procesado de polvos cerámicos, es decir, de sinterizado, con presión isostática o no.
Sus excelentes propiedades a elevadas temperaturas y resistencia a los choques térmicos conservando su tenacidad, resistencia a la rotura y a la f1uencia, hace a dichas «compositas» aptas para utilizarse en herramientas de corte, componentes de motores térmicos y para componentes de procesos industriales en los que se hallen presentes los desgastes (abrasiones); ambientes corrosivos, altas temperaturas, etc. Los expertos opinan que estas cerámicas de óxidos cerámicos, reforzadas con «whiskers», para obtener materiales compuestos, se puede generalizar para otros óxidos distintos a la alúmina y mullita.
Cerámicas reforzadas con «Whiskers» para herramientas de corte. Nuevos métodos de fabricación
En la misma línea señalada en el apartado anterior, se están produciendo unos materiales compuestos a base de cerámicas reforzadas con «whiskers» de cerámica tenaz, con elevadas resistencias mecánicas y a los choques térmicos, para la fabricación de herramientas de corte, que superan de 6 a 8 veces las resistencias correspondientes de los carburos cementados. Con dichas «compositas» se han ensayado velocidades de corte 1,5 a 8 veces superiores a las de las herramientas fabricadas con carburos, trabajando sobre piezas a base de aleaciones de Ni forjados, en donde se alcanzan elevados choques mecánicos y térmicos.
La «composita» denominada WG-300 es una dispersión uniforne de «whiskers» de cristales simples (monocristalinos) de SiC, en una matriz de Al2O3. El refuerzo de los «whiskers» supone una resistencia a la rotura más del doble de la alúmina, manteniéndose a temperaturas superiores a los 1.000 °C, lo que hace al WG-300 apto para resistir a fallos catastróficos de las estructuras críticas, reduciendo las probabilidades de fallo con el tiempo.
La conductividad térmica de la «composita» en cuestión es, aproximadamente, el 40% superior a la de la matriz (Al2O3) sin reforzar. Estos materiales compuestos se está comenzando a utilizar también en aplicaciones estructurales.
Las preformas de la «composita» en estudio tienen, generalmente, del 20% al 50% de porosidad por lo que, no pueden procesarse por sinterización ya que, los «whiskers» no resisten cualquier cambio de volumen en la compactación (densificación). Sin embargo, infiltrando una cerámica precursora en la «composita» preforma, y calentándola aumentan la densidad y, en consecuencia, la resistencia a la rotura de ésta.
El material infiltrado consiste en un ortosilicato tetraetil hidrolizado que, en un principio, se infiltra en el interior de la matriz; aquél ocupa el 40% del volumen de la cerámica, la que sufre una densificación por pirólisis del infiltrado, obteniéndose mejores densidades de la cerámica preformada después de varios ciclos de infiltración y pirólisis.
Otra forma de densificar las «compositas» en cuestión consiste en constituir una «composita» preformada con fibra «whisker» de SiC y Si en polvo, la que se sinteriza en atmósfera de nitrógeno para producir nitruro de silicio. Esta reacción produce un aumento del volumen de la matriz del 23% sin crecimiento exterior de ésta, obteniéndose en definitiva, una densificación efectiva, permaneciendo únicamente una porosidad residual.
Un nuevo proceso de densificación de las compositas de cerámicas reforzadas consiste en lo siguiente:
Las «compositas» a base de cerámica de SiC (matriz) y fibras de SiC de baja densidad (NICALON) se obtienen constituyendo una preforma en la que se introduce un gas de metiltriclorosilano que descompone al SiC interior. El fondo de la preforma se enfría con agua distribuida por el gas, mientras que la parte superior de aquélla se expone a un calentamiento, creándose un elevado gradiente de temperaturas a través de la estructura de la matriz. El CH3-Si-Cl3 infiltrado es forzado a atravesar la zona fría de la preforma, pero no descompone al SiC, que constituye la matriz, hasta que aquél alcanza la zona caliente.
Debido a que la zona superior de la preforma se halla revestida, la densidad y la conductividad térmica crecen, y la zona caliente avanza progresivamente hacia la parte inferior de la preforma. El mismo proceso se puede realizar también con el N4Si3.
Los resultados obtenidos parecen alentadores y las preformas pueden ser infiltradas hasta casi el 90% de la densidad teórica.
Las «compositas» reforzadas unidireccionalmente con SiC muestran una resistencia moderada y una excepcional tolerancia de deformación (1% de deformación, para la carga de rotura). Las «compositas» reforzadas con tejidos fibrosos, son más resistentes pero poseen menor tolerancia de deformación (0,5%).
Actualmente ya se han realizado diversos proyectos con la finalidad de mejorar las cualidades y características de estos materiales en cuanto a:
- aumentar de la densidad de la «composita» final.
- mejorar la resistencia mecánica por aumento del reforzamiento de fibras.
- disminuir las impurezas en el NICALON (fibras de SiC) que originan degradaciones de las fibras a 1.000 °C.
- intentar reducir las temperaturas de infiltración.
- sustituir al SiC por otras fibras tales como, SiO4Al (mullita) o fibras de carbono.
El proceso de infiltración se ha mostrado lo suficientemente flexible para infiltrar en preformas tubulares al 85% de su densidad teórica, con resistencias de hasta 5.300 kg/cm2.