Procesado y caracterización microestructural, mecánica y eléctrica de compuestos cerámica-grafeno

Abstract

El desarrollo de nuevos materiales avanzados es esencial para superar los desafíos científicos y tecnológicos a los que se enfrenta la sociedad actual. Con el auge del grafeno en la última década, surgen nuevas oportunidades para la Ciencia e Ingeniería de los Materiales de obtener materiales compuestos con grafeno con propiedades mejoradas. Destaca el uso de las nanoestructuras basadas en grafeno como segunda fase para fabricar materiales compuestos de matriz cerámica multifuncionales y con altas prestaciones mecánicas. Esta Tesis recoge el trabajo de investigación desarrollado con el objetivo de ampliar el conocimiento existente hasta la fecha de compuestos cerámicos de circona tetragonal estabilizada con 3 %mol de Y2O3, una cerámica tenaz de alto interés tecnológico, con dos tipos de nanoestructuras basadas en grafeno: nanoplaquetas de grafeno y óxido de grafeno reducido. Para ello, se ha llevado a cabo un estudio sistemático de los compuestos, desde su fabricación -comparando diferentes técnicas de procesado de polvos y sinterización- hasta la caracterización de sus propiedades microestructurales, mecánicas y eléctricas. Se han sinterizado en horno convencional compuestos con diferentes contenidos de nanoplaquetas y se han obtenido materiales con una distribución isótropa de éstas en la matriz cerámica y conductividades eléctricas comparables a las de compuestos similares sinterizados por técnicas más sofisticadas como la sinterización por descarga eléctrica pulsada, más comúnmente conocida como Spark Plasma Sintering (SPS). Se ha optimizado la técnica de homogeneización de polvos mediante la comparación de cuatro rutinas distintas de procesado de polvos para la fabricación de compuestos con 10 %vol. de nanoplaquetas sinterizados por SPS. El compuesto con el mejor comportamiento eléctrico se ha obtenido mediante la aplicación de molienda de alta energía con molino planetario de bolas en seco. Esta técnica ha permitido exfoliar y reducir el tamaño lateral de las nanoplaquetas facilitando su distribución en la matriz cerámica. Los compuestos con óxido de grafeno se han preparado a partir de dos técnicas de procesado de polvos -una coloidal y otra que combina el uso de ultrasonidos con molienda de alta energía en medio húmedo-. La consolidación de los polvos se ha llevado a cabo por SPS, lo que ha permitido obtener compuestos de sinterización a alta temperatura. El grado de reducción se ha evaluado cuantitativamente mediante espectroscopía Raman. Los mejores resultados en términos de conductividad eléctrica se han conseguido al aplicar la ruta con molienda en húmedo, gracias a la mejor distribución del óxido de grafeno reducido en la matriz y al mayor grado de reducción del óxido de grafeno alcanzado en estos compuestos. Se ha evaluado el comportamiento frente a la fractura de los compuestos con óxido de grafeno reducido y nanoplaquetas exfoliadas. En concreto, se ha analizado la resistencia frente a la propagación lenta de fisuras (curvas R) en estos materiales a partir de ensayos de flexión en tres puntos, utilizando el método indirecto de la complianza. Este método ha sido validado para el compuesto con la mejor respuesta mecánica (el compuesto con 2,5 %vol. de óxido de grafeno reducido) a partir de la comparación directa de las curvas R obtenidas tanto por el método indirecto de la complianza como por la medida de la longitud de la fisura real (método óptico). Mientras que las nanoplaquetas exfoliadas no aportan un refuerzo significativo a la matriz de circona como consecuencia de sus pequeñas dimensiones, la incorporación de un 2,5 %vol. de óxido de grafeno reducido al compuesto promueve un comportamiento frente a la fractura mejor que el de la cerámica monolítica cuando el plano principal de las láminas de la nanoestructura se encuentra orientado perpendicularmente al frente de grieta.