Orden y desorden de defectos puntuales y su influencia en las propiedades mecánicas del sistema Y2O3-ZrO2

Abstract

La Ciencia de los Materiales ayuda a completar el ciclo que comienza con la necesidad de encontrar materiales que cumplan unos determinados requisitos, y mediante la caracterización e investigación de los ya existentes logra diseñar otros “hechos a medida” para funcionar en distintas situaciones. Esta ciencia está desarrollándose enormemente en las últimas décadas, y en particular, las cerámicas termomecánicas han sido y siguen siendo objeto de innumerables estudios. Las propiedades físicas o químicas de los sólidos están íntimamente ligadas con su microestructura, y en particular, las propiedades mecánicas también. Conociendo los mecanismos microscópicos podemos llegar a predecir comportamientos macroscópicos, que es lo que buscamos. Es importante realizar pruebas y ensayos para determinar el comportamiento de un material en particular, pero es igualmente interesante averiguar el por qué. Sólo así podremos llegar a predecir estos comportamientos y ser capaces de “crear” nuevos materiales. Dentro de la Ciencia de Materiales, el estudio de las propiedades mecánicas de los sólidos surge como respuesta a la demanda de materiales que funcionen normalmente en condiciones extremas, para lo cual deben presentar unas propiedades excepcionales. ¿Cuáles son las propiedades exigidas? Depende, por supuesto de la aplicación que se trate. En algunos casos, se necesitan materiales resistentes al desgaste o a la fricción, materiales que soporten gran cantidad de carga, que no se deformen, materiales que resistan la fatiga, el impacto, en fin… cada aplicación exigirá unas propiedades mecánicas determinadas. Nosotros estamos especialmente interesados por las aplicaciones estructurales, que precisan de materiales que resistan a la aplicación de tensión o carga sin fracturarse. En algunos casos será deseable que la deformación sea mínima, en otros, se esperará lo contrario. Pro siempre se intenta huir de los materiales frágiles, con fractura catastrófica, bien podemos imaginar por qué. En este contexto son importantes conceptos tales como elasticidad, plasticidad o fractura, y datos muy importantes los límites que separan estas regiones entre sí. Nuestro interés se centra en el estudio de la deformación plástica de sólidos, es decir, la deformación permanente que ocurre una vez superado el límite elástico, al llegar al límite plástico y antes, por supuesto, de que se produzca la fractura. Seguidamente añadiremos un factor de dificultad, un nuevo parámetro a tener en cuenta: la temperatura. Sin duda, existen infinidad de aplicaciones estructurales a temperatura ambiente, pero también hay otras en las que se requiere que el material trabaje a cierta temperatura, en algunos casos muy elevada. Por ejemplo, en los rotores, motores de algunas máquinas, turbinas de gas, cubiertas de aviones, de cohetes espaciales… etc. ¿Qué ocurre entonces? Las exigencias se vuelven más y más difíciles de cumplir. Ahora no basta con que el material sea resistente. También debe serlo a alta temperatura. Y surge la necesidad de nuevas propiedades_ baja conductividad térmica, resistencia al choque térmico, a la oxidación, estabilidad química, alto punto de fusión. ¿Y qué materiales pueden trabajar y exhibir todas estas buenas cualidades estructurales en condiciones tan extrema? Porque a temperatura ambiente estaba bastante claro que los metales eran los reyes, pero su bajo punto de fusión los hace menos atrayentes. Se comienzan a barajar materiales que resistan bien al calor, y echando un vistazo hacia el pasado uno se topa inevitablemente con las cerámicas, usadas desde el antiguo en aplicaciones a cierta temperatura: calentar alimentos, cocinar… y abundantes en la corteza terrestre. Sin embargo las cerámicas tradicionales tienen también el gran inconveniente del que se venía huyendo: la fragilidad. Este escollo será salvado en parte por una nueva generación: las llamadas cerámicas avanzadas, que mejoran las buenas cualidades de las cerámicas tradicionales (estabilidad, resistencia al calor, carácter aislante…), y las combinan con unas propiedades mecánicas muy interesantes: gran resistencia a la deformación al ser sometidas a cargas importantes, gran resistencia a la fractura, o una notable ductilidad (superplasticidad). Los materiales que exhiben alguna de estas características a alta temperatura (≥Tfusión/2) se denominan cerámicas termomecánicas o estructurales, y la circonia itriada pertenece a este grupo. Citaremos algunos ejemplos de cerámicas avanzadas con propiedades singulares, como los óxidos puros cerámicos, utilizados como componentes eléctricos o refractorios (en este apartado se incluye la circonia), combustibles nucleares (basados en el dióxido de uranio), cerámicas electro-ópticas, cerámicas magnéticas (constituyen la base de las unidades de memoria de algunos ordenadores), los monocristales con aplicación en la joyería como sustitutos de piedras naturales semipreciosas o preciosas, rubíes, granates, zafiros…, las biocerámicas (alúminas, hidroxiapatita), que se emplean para prótesis, reemplazando a huesos, etc…, o las cerámicas superconductoras de alta temperatura. Como resultado, la industria de la cerámica ha adquirido una gran importancia a nivel mundial ya que además es básica para el funcionamiento de otras, como la metalúrgica que necesita de materiales refractarios y de instrumentos de corte y mecanizado de sus piezas. Este trabajo se divide en tres partes fundamentales: La primera es una presentación de la circonia itriada. El Capítulo 2 se centra en el material escogido, la circonia itriada y en sus antecedentes. En él se desvela el interés que posee el estudio de este compuesto en particular y se revisan sus propiedades físicas, tomando como punto de partida las investigaciones llevadas a cabo por distintos autores. El Capítulo 3, recoge los antecedentes de la deformación plástica de la circonia itriada completamente estabilizada. Esto nos mostrará en que fase de la investigación nos encontramos actualmente, y cuáles son los capítulos oscuros o inexplorados en cuanto a microestructura y propiedades mecánicas (plasticidad) se refiere. En la segunda se detalla el trabajo realizado con este material, es decir, se centra en el estudio experimental de sus propiedades mecánicas a alta temperatura, mediante ensayos mecánicos y análisis microestructural. El Capítulo 4 describe las técnicas experimentales utilizadas durante la investigación. Por un lado, los ensayos mecánicos y por otro las técnicas de análisis microestructural. Estas últimas han sido de gran importancia para explicar el comportamiento inusual y aparentemente inexplicable en el material estudiado. En el Capítulo 5 se muestran los resultados experimentales obtenidos. De nuevo se divide este capítulo en dos partes, una referida a los parámetros macroscópicos y otra a la microestructura. De los distintos tipos de ensayos mecánicos realizados obtenemos distintos parámetros macroscópicos. Cabe destacar por su interés el efecto que producen sobre las propiedades mecánicas del material los reconocidos en atmósfera reductora. Del análisis microestructural podemos extraer información sobre los mecanismos microscópicos de deformación: la subestructura de dislocaciones (mediante microscopía electrónica de transmisión) y los defectos que interaccionan con ellas. Especial atención merece la aparición de un ordenamiento de la estructura cristalina fluorita que evidencia la transición hasta una superestructura no detectada con anterioridad. Por ello, se ha dedicado un capítulo, el Capítulo 6, a la revisión de las fases del sistema YSCZ en el rango de concentración de itria de nuestro estudio. Finalmente se discuten e interpretan los resultados obtenidos y se sacan las conclusiones pertinentes. El Capítulo 7 recoge la discusión general e interpretación de los resultados anteriores, mientras que el capítulo final, el Capítulo 8 expone un resumen de las conclusiones de este trabajo y propone líneas futuras de investigación.