Resumen de Comportamiento mecánico a altas temperaturas de nanocristales de Y-TZP
La Ciencia de los Materiales, y en particular la parte de ésta que estudia los materiales cerámicos, es quizás uno de los ejemplos más claros de la interrelación existente entre la tecnología y la ciencia más fundamental.
El uso de cerámicos ha estado ligado a la historia de la humanidad desde sus comienzos. Se tiene noticias del uso de utensilios de arcilla ya en el 6500 a.C., y del desarrollo de un comercio en torno a estos productos desde el 4000 a. C. A partir de entonces podemos encontrar una industria más o menos desarrollada alrededor de distintos tipos de cerámicos en todas las grandes civilizaciones hasta la actualidad.
La razón de tan extendido uso hay que buscarla en unas propiedades únicas de estos materiales, como son su dureza y su baja conductividad tanto térmica como eléctrica. A lo que hay que añadir un proceso de elaboración donde el ser humano puede influir cambiando las características finales del producto.
Sin embargo, a partir de la Revolución Industrial se van necesitando materiales de características cada vez más específicas y cuyas propiedades puedan controlarse a voluntad. Así, los cerámicos debido a su dureza y alto punto de fusión se presentan como materiales idóneos para aplicaciones de alta temperatura, aislantes térmicos o eléctricos.
Es aquí donde se produce el cambio fundamental, el arte pasa a convertirse en ciencia. Es necesario conocer la estructura microscópica y sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas�. para ver en qué grado y de que manera podemos influir sobre ellas para satisfacer nuestras necesidades. Así tenemos que ciencia y tecnología no puede entenderse de otra forma, no es para ingeniería, pues necesita una base física que explique comportamientos y prediga otros, que a su vez puedan ser útiles desde un punto meramente industrial.
En los últimos 30 años hemos podido apreciar un auge espectacular de nuevos materiales cerámicos o cerámicas avanzadas, cuyo rango de aplicación es mucho más amplio de lo que cabría esperar. Se puede encontrar entre otras:
Cerámicos estructurales: tales como los óxidos de aluminio, circonio o magnesio, y que pueden ser usados en aplicaciones que necesitan una alta resistencia mecánica a altas temperaturas.
Combustible nuclear: el óxido de uranio presenta buenas propiedades incluso tras un largo uso como combustible nuclear.
Cerámicas electroópticas: como el niobato de litio (LiNbO3) o el circonato aluminato de plomo modificado por lantano, que permiten transformar la información eléctrica en información óptica y viceversa.
Cerámicas magnéticas: con una gran cantidad de composiciones y usos, entre los que cabe destacar el empleo como componentes básicos en unidades de memoria en grandes computadoras. Además dadas sus propiedades eléctricas son muy utilizadas en aplicaciones electrónicas de microondas de alta frecuencia.
Cerámicas superconductoras: como pueden ser los óxidos de lantano, bario o cobre, que son superconductores a temperaturas relativamente altas.
Son precisamente los cerámicos estructurales el objetivo primordial de nuestro grupo de trabajo desde hace ya más de 20 años. Entre ellos merece especial mención las aleaciones del óxido de circonio. Estas tienen todas las características de los cerámicos estructurales: elevada resistencia mecánica a tensión o compresión a altas temperaturas, un valor alto de la tenacidad (resistencia a la fractura) que hace que estos materiales puedan soportar deformaciones muy importantes. Pero además hay que tener en cuenta que el ZrO2 es un material muy común, y por tanto no es caro.
Para explorar todo el potencial que ofrece el óxido de circonio se han modificado notablemente sus propiedades mediante la adición de óxidos tales como MgO, CaO, Y2O3, etc. Con esto se ha conseguido estabilizar a temperatura ambiente fases polimórficas del ZrO2 típicas de altas temperaturas dando lugar al desarrollo de nuevos materiales cerámicos que han traído consigo un importante cambio tecnológico.
Cerámicas basadas en el ZrO2 se han desarrollado de tal forma que es posible mediante el control de la composición, el proceso de fabricación y tratamientos térmicos, diseñar microestructuras que se adapten a nuestras necesidades.
El objeto de esta memoria es la deformación plástica a alta temperatura de policristales de circonia tetragonal estabilizados con óxido de itrio (Y-TZP, Yttria Tetragonal Zirconia Polycrystales). Este ha sido un material bastante estudiado y cuyas propiedades mecánicas son bien conocidas. Sin embargo, en los últimos años ha habido un espectacular desarrollo de técnicas de fabricación que han permitido obtener policristales con tamaño de grano <100 nm (denominados nanocristales, de aquí en adelante n-cristales) a los que se atribuyen propiedades muy innovadoras.
El objetivo fundamental es caracterizar la deformación plástica de este n-material y comprobar si las ecuaciones conocidas y aceptadas para mecanismos de deformación a altas temperaturas en Y-TZP con tamaño de grano micrométrico y submicrométrico son aplicables a nuestros n-cristales, o si por el contrario la deformación de estos viene regida por otros mecanismos característicos de la naturaleza nanocristalina de las muestras.
Esta memoria se divide en tres bloques fundamentales:
El primero de ellos esta dedicado a describir el material que vamos a estudiar y sus propiedades fundamentales.
En el Capítulo 1 se describirán las características generales de los materiales con tamaño de grano nanométrico, así como la estructura cristalográfica del óxido de circonio, sus propiedades fundamentales y de cómo se pueden modificar éstas mediante la adición de dopantes.
El Capítulo 2 está dedicado a revisar los mecanismos de deformación a altas temperaturas para la circonia de tamaño de grano submicrométrico y micrométrico.
En el Capítulo 3 se resumirán los antecedentes así como las razones que llevaron a realizar este estudio.
La parte siguiente está dedicada a describir las técnicas experimentales usadas y los resultados que se han obtenido.
En el Capítulo 4 se describe el proceso de fabricación de nuestro material y las técnicas usadas para caracterizarlo microestructuralmente.
En el Capítulo 5 se describirán las distintas técnicas experimentales usadas para determinar los parámetros que rigen la deformación a alta temperatura, así como los resultados obtenidos en estas experiencias.
El Capítulo 6 se dedicará al estudio a escala microscópica de las muestras deformadas, comparando estos resultados con las muestras sin deformar.
En la última parte del trabajo se presenta la discusión de los resultados experimentales, así como las conclusiones y posibles líneas futuras de investigación.
La discusión de todos los resultados obtenidos se presenta en el Capítulo7, donde se comparan éstos con los modelos establecidos para la deformación de muestras de Y-TZP no nanométricas. Por último, se resumen las principales conclusiones del trabajo.
