Cerámicas fiables en sistemas de altas prestaciones

Los estudios en cerámicas avanzadas han destacado sus excepcionales propiedades mecánicas, térmicas y tribológicas, especialmente de cara a aplicaciones como los diseños modernos de cojinetes de cilindros o de deslizamiento y herramientas de mecanización y corte. El equipo del proyecto ROLICER (Enhanced reliability and lifetime of ceramic components through multiscale modelling of degradation and damage) ha trabajado en llenar el vacío de conocimiento existente en cuanto a las propiedades microestructurales de las cerámicas y su daño y degradación. Dado que la microestructura de una cerámica dicta su comportamiento macroscópico, la degradación de dicha microestructura afecta a la fiabilidad de cualquier componente en servicio.

Los investigadores han combinado una serie de herramientas de simulación y una selección de experimentos de modelización para modelizar los mecanismos de daño que afectan a la durabilidad y fiabilidad del nitruro de silicio. Los cálculos y simulaciones de fracturas a escala atómica pueden mostrar la orientación y los planos en los que las fracturas se producirán con mayor probabilidad a mayor escala. Asimismo, mediante simulaciones a escala macroscópica se pueden identificar los gradientes de tensión que influyen sobre el estado de tensión en la grieta y a partir de ahí elaborar posibles recomendaciones de diseño o carga.

El equipo científico ha logrado estudiar el comportamiento del nitruro de silicio en fractura bajo distintas cargas, utilizando el análisis de elementos finitos. Los modelos de zona de cohesión han facilitado la simulación y predicción del inicio y propagación de fisuras en el rango de los diez a los cien micrómetros. Para los casos de grietas de mayor tamaño, el equipo ha utilizado el método de elementos finitos extendido.

A la escala atómica, la labor se ha centrado en modelizar con exactitud las propiedades de granos, interfaces entre granos, estructuras en masa y películas de interfaz intergranular (IGF) que aparecen en los límites de grano. Esas simulaciones han permitido a los investigadores estudiar la fuerza de cohesión de los granos de nitruro de silicio, tanto en presencia como en ausencia de defectos e impurezas. Asimismo, las simulaciones de IGF han facilitado el estudio de la adhesión entre granos.

A partir de los hallazgos de las simulaciones numéricas, los trabajos se han centrado tanto en el diseño de materiales como en su implantación en la industria. El equipo del proyecto ha logrado preparar y ensayar dos calidades de nitruro de silicio, diseñadas para aplicaciones de laminado en caliente. Con estos cilindros cerámicos se han procesado ciento cincuenta mil kilogramos de acero en distintas calidades, inclusive una cantidad sin precedentes de hilos de superaleaciones de níquel.

El trabajo llevado a cabo por el equipo del proyecto ROLICER está en camino de aplicación a la industria. Los hallazgos de este proyecto deben facilitar una ampliación significativa de la gama de sistemas de altas prestaciones que emplean componentes cerámicos, incluyendo engranajes y sistemas deslizantes y de fricción en dichos materiales.