Cerámicos refractarios a base de diboruro de circonio y aluminio: fabricación mediante SPS y caracterización

• Autores: Jesús López Arenal
• Directores de la Tesis: Diego Gómez García (dir. tes.), Bibi Malmal Moshtaghion (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2025
• Idioma: español
• Número de páginas: 85
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • La tesis doctoral propuesta está orientada a la fabricación de cerámicos refractarios basados en diboruro de circonio con diferentes cantidades de aluminio. El proceso de la tesis se basa en fabricar muestras con diferentes composiciones utilizando molienda de alta energía y sinterizar los polvos mediante sinterización de chispa de plasma “spark plasma sintering” (SPS) y posterior caracterización composicional, microestructural y mecánica. El objetivo de la tesis es estudiar el efecto de la adición de aluminio como asistente para facilitar el proceso de sinterización y ver como diferentes cantidades afectan a la composición, propiedades y temperatura de sinterización de diboruro de circonio, intentando reducir la temperatura de sinterización y obtener composites con propiedades interesantes.

    La parte experimental de esta tesis incluye la preparación de los polvos a partir del mezclado de hidruro de circonio (ZrH2), boro (B) y aluminio (Al) en diferentes ratios molares, mediante molienda de alta energía para mezclar y reducir el tamaño de partícula con el objetivo de mejorar la sinterización, análisis termogravimétrico (TGA) y calorimetría diferencia de barrido (DSC) para determinar las temperaturas a las que reaccionan lo compuestos. La sinterización de los polvos utilizando un horno SPS, microscopia electrónica de barrido, difracción de rayos X, indentación Vickers, ensayos tribológicos, medida de conductividad eléctrica, coeficiente de expansión térmica y ensayos de oxidación a alta temperatura. Durante la tesis se han estudiado tres sistemas principalmente:

    “Sistema puro”, en el que se mezcló en proporción 1ZrH2:2B para obtener ZrB2 monolítico a una temperatura optima de sinterización de 1850ºC.

    “Sistema intermetálico”, se mezcló una ratio 2ZrH2:1B:1Al y se obtuvo un composite de aproximadamente 25%ZrB2-75%Zr3Al2 a una temperatura de 1175ºC.

    “Sistema nanoestructurado” se utilizó una mezcla 16ZrH2:29B:1Al para obtener un ZrB2 con inclusiones de Al que presenta unas propiedades mecánicas realmente buenas y que sinteriza a solo 1350ºC.

    El objetivo fundamental de esta tesis era estudiar diferentes elementos del sistema Zr/B/Al haciendo énfasis en mejorar su sinterización y propiedades mecánicas. Los resultados han sido muy buenos ya que se ha logrado fabricar un compuesto que mejora notablemente las propiedades mecánicas de su contraparte y a una temperatura de sinterizado unos 500ºC menor.

    Durante la tesis se han estudiado diferentes técnicas que han sido claves para lograr estos resultados: Molienda de alta energía: permite reducir considerablemente el tamaño del polvo y con ello la temperatura de sinterización, se han hecho estudios comparativos con polvo sin moler y una molienda de una hora permite obtener una muestra con una densidad y propiedades mecánicas muy superiores. Síntesis reactiva: se ha observado que la energía producida durante la reacción in situ en el SPS ayuda al sinterizado permitiendo reducir la temperatura de sinterización, se han hecho estudios comparativos con polvo comercial para evidenciar este efecto. Un hecho destacable es la sinergia que existe al unir la técnica de molienda y sinterización reactiva, que da los resultados más beneficiosos.

    Sinterización con fase líquida transitoria: la adición de aluminio permite que se cree una fase líquida que crea diferentes efectos que ayudan a la sinterización, este aluminio reacciona luego para formar compuestos o entrar en la estructura, de forma que no queda en forma elemental en nuestro material y no reduce las propiedades mecánicas.

    Estos resultados tan interesantes son el fruto de tres años de tesis en los que inicialmente querían estudiarse otros sistemas como el Hf/B/Al o Ta/B/Al pero debido a la novedad en los resultados y todas las posibilidades que ofrecía el sistema Zr/B/Al no ha habido tiempo para desarrollar otros sistemas, la idea es establecer nuevas líneas de investigación para desarrollar estos sistemas y otros con otros metales de transición.