Resumen de Materiales compuestos multifuncionales de nitruro de silicio con nanoestructuras reforzantes basadas en grafeno
María Cristina Ramírez Maglione
Este trabajo estudia la fabricación y las propiedades de materiales compuestos de nitruro de silicio con nanoestructuras basadas en grafeno, densificados por la técnica de spark plasma, con el objetivo de evaluar el efecto reforzante que se esperaba obtener debido a las excelentes propiedades del grafeno. Se han fabricado materiales compuestos, densos y homogéneos, con distinto tipo de nanorefuerzos, mediante la dispersión de tres tipos de nanoestructuras, como son las plaquetas de grafeno prístino, láminas de óxido de grafeno y de nanotubos de carbono abiertos longitudinalmente. Para evitar el posible daño de las nanoestructuras de carbono durante el calentamiento, se empleó la técnica de sinterización por spark plasma, ya que utiliza temperaturas inferiores y tiempos de sinterización notablemente más cortos que los requeridos en los procesos de densificación con hornos convencionales.
Las microscopías de barrido y trasmisión, además complementadas con la construcción de mapas utilizando las bandas de espectroscopia Raman, revelan la orientación preferente de las nanoestructuras en estos materiales, como consecuencia de la presión uniaxial que se ejerce durante la densificación. Esta particularidad genera diferencias en el comportamiento, tanto térmico como eléctrico, en las dos direcciones diferenciadas, es decir la paralela y la perpendicular al plano de grafeno, aparte de las producidas por las diferencias en cristalinidad y grado de exfoliación de las nanoestructuras.
El fácil deslizamiento entre capas de grafeno y su separación tiene como efecto una redución del módulo elástico y la dureza de los materiales compuestos comparados con el Si3N4 monolítico; y por otro lado, las capas de grafeno producen un notable efecto reforzante, observada en los tres tipos de nanoestructuras, especialmente para la orientación perpendicular al plano descrito por el grafeno en las nanoestructuras. Las nanoplaquetas de óxido de grafeno reducido son los refuerzos más efectivos como lo demuestran los valores de tenacidad frente a la fractura alcanzados que son superiores en un 135% que los obtenidos para el Si3N4, bajo las mismas condiciones de sinterización y ensayo. Estos resultados, por tanto, muestran que las nanoplaquetas y nanocintas de grafeno son tremendamente efectivas como segunda fase reforzante, en contenidos relativamente bajos, para la fabricación de materiales compuestos cerámicos, a los que por añadidura les confieren funcionalidad eléctrica y térmica, además de un incremento en la resistencia al desgaste. Por todo ello, estos compuestos son materiales con múltiple funcionalidad y que pueden diseñarse a medida en función de la aplicación o campo de interés.
