Estudio de las propiedades mecánicas de compuestos de matriz cerámica con alótropos de carbono mediante simulación por ordenador

Abstract

Las propiedades excepcionales del grafeno tales como su alto módulo de Young y su resistencia a la tracción los convierten en unos candidatos idóneos para mejorar y reforzar las propiedades de los materiales cerámicos como la alúmina (Al₂O₃). No obstante, y al contrario de lo que ocurre con otros materiales compuestos, en el caso de los materiales cerámicos compuestos con grafeno existe una enorme disparidad en los resultados experimentales e incluso se encuentran efectos contradictorios con los esperados. Las propiedades mecánicas de los materiales cerámicos reforzados con grafeno dependen de forma acusada de la microestructura de los granos de la matriz, así como de la manera en la que se incorpora este. Por ejemplo, la localización o su grado de dispersión y homogenización en la matriz son aspectos críticos para conseguir un efecto de refuerzo eficiente. Además, actualmente no existen estudios que estimen los valores máximos teóricos que podrían alcanzarse mediante esta estrategia de refuerzo. Por todo lo anterior se hace necesaria la creación de modelos computacionales que puedan servir de herramienta para dilucidar la influencia del modo de incorporación del grafeno en el refuerzo de los materiales cerámicos, de modo que puedan explicarse muchas de las discrepancias experimentales observadas. En este trabajo simulamos las propiedades mecánicas de alúmina reforzada con inclusiones de grafeno con un modelo bidimensional. Para modelar los granos de la matriz hacemos uso de una teselación del tipo de Voronoi (se explicará rigurosamente en el apartado 3.1) con una distribución del tamaño de los granos log-normal con una escala mesoscópica. El objetivo del trabajo es la comparación de las propiedades mecánicas de dos materiales y su correcta simulación: en la primera consideramos un policristal de alúmina pura y en la segunda se considera alúmina junto a inclusiones de grafeno (con forma de grano). Las simulaciones se han realizado mediante el método de diferencias finitas con ayuda del programa ABAQUS. El objetivo del mismo será abrir un nuevo horizonte en términos de simulación para arrojar algo de luz al uso de grafeno como material reforzante en las cerámicas avanzadas. Se destaca la originalidad del trabajo en cuanto a las condiciones de estudio de la simulación. La inserción de los diagramas de Voronoi para simular estructuras de materiales cerámicos en la escala mesoscópica es conocida desde hace tiempo, la innovación recae en considerar la distribución de los centros de dicho diagrama según una distribución normal. De esta forma, 2 se obtendrá una distribución en el tamaño de grano (por la implicación geométrica de dichos diagramas) de forma log – normal, muy similar en apariencia a distribuciones reales como la zirconia o alúmina, en contraposición con los estudios realizados anteriormente y consultados, donde el tamaño de grano se normaliza a un determinado valor (del orden de los micrómetros), añadiendo una homogeneidad en dicho tamaño no encontrada en los policristales reales.