Un cermet es un material compuesto compuesto de materiales cerámicos (cer) y metálicos (met).
Un cermet está idealmente diseñado para tener las propiedades óptimas tanto de una cerámica , como la resistencia y dureza a altas temperaturas, como las de un metal, como la capacidad de sufrir deformación plástica . El metal se usa como un aglutinante para un óxido , boruro o carburo . Generalmente, los elementos metálicos utilizados son níquel , molibdeno y cobalto . Dependiendo de la estructura física del material, los cermets también pueden ser compuestos de matriz metálica , pero los cermets suelen tener menos del 20% de metal en volumen.
Los cermet se utilizan en la fabricación de resistencias (especialmente potenciómetros ), condensadores y otros componentes electrónicos que pueden experimentar altas temperaturas.
Los cermets se utilizan en lugar de carburo de tungsteno en sierras y otras soldadas herramientas debido a sus propiedades de desgaste y de corrosión superiores. El nitruro de titanio (TiN), el carbonitruro de titanio (TiCN), el carburo de titanio (TiC) y similares se pueden soldar como carburo de tungsteno si se preparan adecuadamente, sin embargo, requieren un manejo especial durante el esmerilado.
Los compuestos de fases MAX , una clase emergente de carburos ternarios o nitruros con aleaciones de aluminio o titanio, se han estudiado desde 2006 como materiales de alto valor que exhiben propiedades favorables de las cerámicas en términos de dureza y resistencia a la compresión junto con ductilidad y tenacidad a la fractura típicamente asociadas con los metales. Dichos materiales cermet, incluidos los compuestos de fase de aluminio-MAX, [1] tienen aplicaciones potenciales en aplicaciones automotrices y aeroespaciales. [2] [1]
Algunos tipos de cermets también se están considerando para su uso como blindaje nave espacial a medida que resisten los impactos de alta velocidad de micrometeoritos y desechos orbitales mucho más eficaz que los materiales de la nave espacial más tradicionales tales como el aluminio y otros metales.
Historia [3]
Después de la Segunda Guerra Mundial , se hizo evidente la necesidad de desarrollar materiales resistentes a altas temperaturas y tensiones. Durante la guerra, los científicos alemanes desarrollaron cermet a base de óxido como sustitutos de las aleaciones. Ellos vieron un uso para esto para las secciones de alta temperatura de los nuevos motores a reacción , así como álabes de la turbina de alta temperatura. Hoy en día, la cerámica se implementa de forma rutinaria en la parte de combustión de los motores a reacción porque proporciona una cámara resistente al calor. También se han desarrollado álabes de turbina de cerámica. Estas hojas son más ligeras que el acero y permiten una mayor aceleración de los conjuntos de hojas.
La Fuerza Aérea de los Estados Unidos vio potencial en la tecnología de materiales y se convirtió en uno de los principales patrocinadores de varios programas de investigación en los Estados Unidos. Algunas de las primeras universidades en investigar fueron la Universidad Estatal de Ohio , la Universidad de Illinois y la Universidad Rutgers .
La palabra cermet fue realmente acuñada por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos , con la idea de que son una combinación de dos materiales, un metal y una cerámica . Las propiedades físicas básicas de los metales incluyen ductilidad , alta resistencia y alta conductividad térmica . Las cerámicas poseen propiedades físicas básicas como un alto punto de fusión , estabilidad química y especialmente resistencia a la oxidación .
El primer material de metal cerámico desarrollado utilizó óxido de magnesio (MgO), óxido de berilio (BeO) y óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) para la pieza cerámica. El énfasis en las resistencias a la rotura por alta tensión fue de alrededor de 980 ° C. [4] La Universidad Estatal de Ohio fue la primera en desarrollar cermet a base de Al 2 O 3 con una alta resistencia a la rotura por tensión alrededor de 1200 ° C. Kennametal , una empresa de herramientas y trabajo de metales con sede en Latrobe, PA , desarrolló el primer cermet de carburo de titanio con 19 megapascales (2800 psi) y una resistencia de tensión a ruptura de 100 horas a 980 ° C. Los motores a reacción operan a esta temperatura y se invirtieron más investigaciones en el uso de estos materiales para componentes.
El control de calidad en la fabricación de estos compuestos de metal cerámico fue difícil de estandarizar. La producción tuvo que mantenerse en lotes pequeños y dentro de estos lotes, las propiedades variaban mucho. La falla del material generalmente era el resultado de fallas no detectadas que generalmente se nucleaban durante el procesamiento.
La tecnología existente en la década de 1950 alcanzó un límite para los motores a reacción donde poco más se podía mejorar. Posteriormente, los fabricantes de motores se mostraron reacios a desarrollar motores de metal cerámico.
El interés se renovó en la década de 1960 cuando se examinaron más de cerca el nitruro de silicio y el carburo de silicio. Ambos materiales poseían mejor resistencia al choque térmico, alta resistencia y conductividad térmica moderada.
Producción de cermet, Helipot Division de Beckman Instruments, 1966 [5]
1. Ingredientes de esteatita que se pesan
2. Proceso de granulación de esteatita
3. Prensado de virutas de esteatita
4. Cocción a alta temperatura de viruta de esteatita
5. Potenciómetro Beckman Modelo 61 (Cribado Cermet)
6. Disparo final de Cermet
7. Comprobación de la resistencia eléctrica
8. Montaje final
Aplicaciones
Juntas y sellos cerámica-metal
Los cermet se utilizaron por primera vez ampliamente en aplicaciones de juntas de cerámica con metal. La construcción de tubos de vacío fue uno de los primeros sistemas críticos, y la industria electrónica empleó y desarrolló tales sellos. Los científicos alemanes reconocieron que se podrían producir tubos de vacío con un rendimiento y una fiabilidad mejorados sustituyendo el vidrio por cerámica. Los tubos de cerámica pueden desgasificarse a temperaturas más altas. Debido al sello de alta temperatura, los tubos de cerámica soportan temperaturas más altas que los tubos de vidrio. Los tubos de cerámica también son mecánicamente más fuertes y menos sensibles al choque térmico que los tubos de vidrio. [6] Hoy en día, los recubrimientos cermet para tubos de vacío han demostrado ser clave para los sistemas solares de agua caliente.
También se han utilizado sellos mecánicos de cerámica con metal . Tradicionalmente se han utilizado en pilas de combustible y otros dispositivos que convierten la energía química, nuclear o termoiónica en electricidad. El sello de cerámica con metal es necesario para aislar las secciones eléctricas de los generadores impulsados por turbinas diseñados para operar en vapores corrosivos de metal líquido. [6]
Biocerámicas
La biocerámica juega un papel importante en los materiales biomédicos. El desarrollo de estos materiales y la diversidad de técnicas de fabricación ha ampliado las aplicaciones que se pueden utilizar en el cuerpo humano. Pueden estar en forma de capas delgadas sobre implantes metálicos, compuestos con un componente polimérico o incluso simplemente redes porosas. Estos materiales funcionan bien dentro del cuerpo humano por varias razones. Son inertes y, debido a que son reabsorbibles y activos, los materiales pueden permanecer inalterados en el cuerpo. También pueden disolverse y participar activamente en procesos fisiológicos, por ejemplo, cuando la hidroxiapatita , un material químicamente similar a la estructura ósea, puede integrarse y ayudar a que el hueso crezca en ella. Los materiales comunes utilizados para las biocerámicas incluyen alúmina, zirconia, fosfato de calcio, cerámica de vidrio y carbonos pirolíticos.
Un uso importante de las biocerámicas es en la cirugía de reemplazo de cadera . Los materiales utilizados para las articulaciones de la cadera de reemplazo eran generalmente metales como el titanio , y la cavidad de la cadera generalmente estaba revestida con plástico. La bola multiaxial era una bola de metal resistente, pero finalmente fue reemplazada por una bola de cerámica de mayor duración. Esto redujo la rugosidad asociada con la pared de metal contra el revestimiento de plástico de la cavidad artificial de la cadera. El uso de implantes cerámicos prolongó la vida útil de las piezas de reemplazo de cadera. [7]
Los cermet también se utilizan en odontología como material para empastes y prótesis.
Transporte
Se han utilizado piezas cerámicas junto con piezas metálicas como materiales de fricción para frenos y embragues . [6]
Otras aplicaciones
El ejército de los Estados Unidos y el ejército británico han realizado una amplia investigación en el desarrollo de cermets. Estos incluyen el desarrollo de armaduras cerámicas ligeras a prueba de proyectiles para soldados y también armaduras Chobham .
Los cermet también se utilizan en el mecanizado de herramientas de corte .
Los cermet también se utilizan como material de anillo en guías de línea de alta calidad para cañas de pescar.
Se ha investigado un cermet de material fisible empobrecido (por ejemplo , uranio , plutonio ) y sodalita por sus beneficios en el almacenamiento de desechos nucleares. [8] También se han investigado compuestos similares para su uso como fuente de combustible. [9]
Como cermet nanoestructurado, este material se utiliza en el campo óptico, como absorbedores solares / superficie selectiva . Gracias al tamaño de las partículas (~ 5 nm), se generan plasmones superficiales sobre las partículas metálicas que permiten la transmisión de calor.
Por razones de lujo, a veces se encuentra que el cermet es el material de la caja de algunos relojes, incluido el reloj Deep Sea Chronograph Vintage Cermet de Jaeger-LeCoultre . También se usó (noviembre de 2019) en el bisel del reloj insignia de buceo Seiko Prospex LX Line Limited Edition.
Ver también
- Glidcop
- Combustible nuclear
- Ciclo del combustible nuclear
Notas
- ^ a b Hanaor, DAH; Hu, L .; Kan, WH; Proust, G .; Foley, M .; Karaman, I .; Radovic, M. (2016). " Comportamiento a la compresión y propagación de fisuras en compuestos de aleación de Al / Ti 2 AlC". Ciencia de los Materiales e Ingeniería A . 672 : 247-256. arXiv : 1908.08757 . doi : 10.1016 / j.msea.2016.06.073 .
- ^ Bingchu, M .; Ming, Y .; Jiaoqun, Z. y Weibing, Z. (2006). "Preparación de composites de TiAl / Ti2AlC con polvos de Ti / Al / C mediante prensado en caliente in situ". Revista de la Universidad Tecnológica de Wuhan-Mater. Sci . 21 (2): 14–16. doi : 10.1007 / BF02840829 . S2CID 135148379 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Tinklepaugh, James R .: "Cermets.", Reinhold Publishing Corporation, 1960
- ^ Conceptos metalúrgicos, "Fluencia y rotura por estrés". "Copia archivada" . Archivado desde el original el 5 de enero de 2007 . Consultado el 12 de diciembre de 2006 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ "La fabricación de una recortadora de cermet". Helinews . Beckman Instruments (primavera 36): 4-5. 1966.
- ^ a b c Pattee, HE "Unir cerámica y grafito con otros materiales, un informe". Oficina de Utilización de Tecnología Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, Washington DC, 1968
- ^ Diseño de fax en línea, "Articulación de cadera híbrida". "Copia archivada" . Archivado desde el original el 27 de septiembre de 2007 . Consultado el 7 de diciembre de 2006 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APCPCS000532000001000089000001&idtype=cvips&gifs=yes
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 26 de noviembre de 2007 . Consultado el 11 de octubre de 2007 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
Otras lecturas
- Tinklepaugh, James R. (1960). Cermets . Nueva York: Reinhold Publishing Corporation. ASIN B0007E6FO4.
enlaces externos
- Una revisión de cincuenta años de programas de desarrollo de combustible nuclear espacial (roto)