Los investigadores han demostrado una nueva técnica que utiliza láseres para crear cerámicas que pueden soportar temperaturas ultra{0}}altas, con aplicaciones que van desde tecnologías de energía nuclear hasta naves espaciales y sistemas de escape de aviones. La técnica se puede utilizar para crear revestimientos cerámicos, baldosas o estructuras tridimensionales-complejas, lo que permite una mayor versatilidad a la hora de diseñar nuevos dispositivos y tecnologías.
"La sinterización es el proceso mediante el cual las materias primas (ya sean polvos o líquidos) se convierten en un material cerámico", afirma Cheryl Xu, co-autora correspondiente de un artículo sobre esta investigación y profesora de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. "Para este trabajo, nos centramos en una cerámica de temperatura ultra-alta llamada carburo de hafnio (HfC). Tradicionalmente, la sinterización de HfC requiere colocar las materias primas en un horno que puede alcanzar temperaturas de al menos 2200 grados Celsius, un proceso que consume mucho tiempo-y energía.
"Nuestra técnica es más rápida, más sencilla y requiere menos energía".
La nueva técnica funciona aplicando un láser de 120 vatios a la superficie de un precursor de polímero líquido en un entorno inerte, como una cámara de vacío o una cámara llena de argón. El láser sinteriza el líquido convirtiéndolo en una cerámica sólida. Esto se puede utilizar de dos maneras diferentes.
Primero,El precursor líquido se puede aplicar como recubrimiento a una estructura subyacente, como los compuestos de carbono utilizados en tecnologías hipersónicas como misiles y vehículos de exploración espacial. El precursor se puede aplicar a la superficie de la estructura y luego sinterizar con el láser.
"Debido a que el proceso de sinterización no requiere exponer toda la estructura al calor del horno, la nueva técnica promete permitirnos aplicar recubrimientos cerámicos de temperatura ultra-alta a materiales que pueden dañarse con la sinterización en un horno", afirma Xu.
el segundoLa forma en que los ingenieros pueden hacer uso de la nueva técnica de sinterización implica la fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D. Específicamente, el método de sinterización por láser se puede utilizar junto con una técnica similar a la estereolitografía.
En esta técnica, se monta un láser sobre una mesa que se asienta en un baño del precursor líquido. Para crear una estructura tridimensional-, los investigadores crean un diseño digital de la estructura y luego "cortan" esa estructura en capas. Para empezar, el láser dibuja el perfil de la primera capa de la estructura en el polímero, rellenando el perfil como si coloreara un dibujo. A medida que el láser "rellena" esta área, la energía térmica convierte el polímero líquido en cerámica. Luego, la mesa desciende un poco más hacia el baño de polímero y una cuchilla pasa por la parte superior para nivelar la superficie. Luego, el láser sinteriza la segunda capa de la estructura y este proceso se repite hasta obtener un producto terminado hecho de cerámica sinterizada.
"En realidad, es un poco simplificado decir que el láser essolosinterizar el precursor líquido", dice Xu. "Es más exacto decir que el láser primero convierte el polímero líquido en un polímero sólido y luego convierte el polímero sólido en una cerámica. Sin embargo, todo esto sucede muy rápidamente; es esencialmente un proceso de un-paso".
En una prueba de concepto-de-concepto, los investigadores demostraron que la técnica de sinterización por láser producía HfC cristalino, en fase-puro a partir de un precursor de polímero líquido.
"Esta es la primera vez que sabemos que alguien pudo crear HfC de esta calidad a partir de un precursor de polímero líquido", dice Xu. "Y las cerámicas de temperatura ultra-alta, como su nombre indica, son útiles para una amplia gama de aplicaciones donde las tecnologías deben soportar temperaturas extremas, como la producción de energía nuclear".
Los investigadores también demostraron que la sinterización por láser podría utilizarse para crear revestimientos de HfC de alta calidad de compuestos de carbono reforzados con fibra de carbono (C/C). Básicamente, el revestimiento cerámico se adhirió a la estructura subyacente y no se despegó.
"Los recubrimientos de HfC sobre sustratos C/C demostraron una fuerte adhesión, una cobertura uniforme y potencial para su uso como protección térmica y una capa resistente a la oxidación", dice Xu. "Esto es particularmente útil porque, además de las aplicaciones hipersónicas, las estructuras de carbono/carbono se utilizan en toberas de cohetes, discos de freno y sistemas de protección térmica aeroespacial, como conos de morro y bordes de ataque de alas".
La nueva técnica de sinterización por láser también es significativamente más eficiente que la sinterización convencional en varios aspectos.
"Nuestra técnica nos permite crear estructuras y revestimientos cerámicos a temperaturas ultra-altas en segundos o minutos, mientras que las técnicas convencionales tardan horas o días", afirma Xu. "Y debido a que la sinterización por láser es más rápida y altamente localizada, utiliza significativamente menos energía. Es más, nuestro enfoque produce un mayor rendimiento. Específicamente, la sinterización por láser convierte al menos el 50% de la masa del precursor en cerámica. Los enfoques convencionales generalmente convierten solo entre el 20 y el 40% del precursor.
"Por último, nuestra técnica es relativamente portátil", dice Xu. "Sí, tiene que hacerse en un entorno inerte, pero transportar una cámara de vacío y un equipo de fabricación aditiva es mucho más fácil que transportar un horno potente-a gran escala.
"Estamos entusiasmados con este avance en la cerámica y estamos abiertos a trabajar con socios públicos y privados para hacer la transición de esta tecnología para su uso en aplicaciones prácticas", afirma Xu.
El artículo, "Síntesis de carburo de hafnio (HfC) mediante pirólisis de reacción láser selectiva en un paso a partir de un precursor de polímero líquido", se publica en la revistaRevista de la Sociedad Americana de Cerámica. El co-autor correspondiente del artículo es Tiegang Fang, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en NC State. Los co-primeros autores del artículo son Shalini Rajpoot, investigadora postdoctoral en NC State, y Kaushik Nonavinakere Vinod, Ph.D. estudiante en NC State.
La investigación se realizó con el apoyo del Centro de Fabricación Aditiva de Cerámica Avanzada, con sede en la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte.
