Caracterización mecánica de cerámicas avanzadas mejoradas con procesado por microondas

Abstract

[ES] En los últimos años la obtención de materiales con propiedades especiales que puedan emplearse en aplicaciones específicas se ha convertido en una necesidad. Un ejemplo de ello es el aluminosilicato de litio. Este material ha sido exhaustivamente estudiado ya que posee un coeficiente de expansión térmica muy bajo, incluso, dependiendo de su estructura cristalina, puede llegar a ser negativo. Esta cualidad lo hace idóneo para su empleo en distintos campos de aplicación que van desde los utensilios de cocina, hasta dispositivos electrónicos, piezas de espejos de telescopios, giroscopios láser de anillo y plataformas ópticamente estables. Sin embargo, los materiales con coeficientes de expansión térmica negativa suelen tener baja resistencia mecánica debido a la anisotropía de su expansión, la cual provoca microfisuras. Es por ello necesario mejorar sus propiedades mecánicas sin reducir las térmicas. Para ello contamos con métodos de sinterización no-convencionales que comienzan a competir con los tradicionales, ya que proporcionan mejoras en las propiedades de los materiales obtenidos, reduciendo tiempos de sinterizado, y en algunos casos, incluso reduciendo costes. Es el caso de la sinterización por microondas, la cual se trata de una técnica no-convencional donde los materiales absorben las ondas electromagnéticas y las transforman en calor. Este proceso es muy diferente de otros métodos, donde el calor es transferido a través de los mecanismos de conducción, radiación y convección. Las principales ventajas de la sinterización por microondas se puede resumir en tres: reducción de tiempos y costes económicos de producción, beneficios medioambientales y flexibilidad del procesado. Por lo tanto, las microondas son una clara alternativa a otros métodos de sinterización. El objetivo de este trabajo fin de grado es la obtención, mediante la técnica de sinterización no convencional de microondas, de materiales cerámicos basados en aluminosilicato de litio densos y en estado sólido, que reúnan unas prestaciones mecánicas adecuadas y unas funcionalidades excepcionales, para su utilización en aplicaciones específicas. Las propiedades mecánicas se determinarán mediante la técnica instrumentada de nanoindentación, la cual permite obtener los valores de módulo de Young (E) y dureza (H) simultáneamente en función de la profundidad de penetración del material. Mediante la utilización de las microondas, se pretende mejorar estos materiales respecto de los obtenidos por el método convencional.

[EN] During the last years obtaining materials with special properties, which can be used in specific applications, has become a necessity. An example of this is lithium aluminosilicate (LAS). This material has been thoroughly studied because of its low coefficient of thermal expansion. Depending on its crystalline structure the coefficient can even have a negative value. This characteristic makes LAS an ideal material for different application fields such as cooking utensils, electronic devices, mirror pieces of telescopes, rings of laser gyroscopes or platforms optically stable. Nevertheless, materials with negative coefficient of thermal expansion often have a low mechanical resistance, due to their anisotropy of their expansion. This anisotropy causes microcracks. For this reason, it is necessary to improve their mechanical properties without minimizing the thermal ones. These enhancements of mechanical properties are starting to be made by non-conventional methods, competitive methods in comparison with the traditional ones, which reduce sinter periods and sometimes they even reduce costs. That is the case of microwave sintering, a non-conventional technic where materials absorb electromagnetic waves and convert them into heat. This process is very different from other methods, since the heat is transferred through conduction, radiation and convection mechanisms. Summing up, the principal advantages of microwave sintering are three: sinter periods and economical costs of production reduction, environmental benefits and process flexibility. Therefore, microwaves are a clear alternative in comparison with other sintering methods. The objective of this final degree project is the obtention of dense ceramic materials in a solid form based on lithium aluminosilicate (LAS), through the non-conventional microwave sintering technic. In order to use them in specific applications, their obtention will reunite the necessary mechanic conditions and exceptional functions. The mechanical properties will be determined by the instrumented nanoindentation technique, which allows obtaining Young's modulus (E) and hardness (H) values simultaneously as a function of penetration depth of the material. The use of microwaves is intended to improve these materials with respect to those obtained by the conventional method.