Desarrollo de cerámicas mediante tecnología de microondas basadas en circona y manganitas de lantano

Abstract

[ES] Debido a los rápidos avances tecnológicos de las últimas décadas han surgido nuevas necesidades que requieren la generación de nuevos materiales a la carta que cumplan con ciertas funcionalidades o que adquieran características concretas. A este diseño de materiales a la carta hay que sumar la problemática de los procesos de conformado, que en el caso de los materiales cerámicos son procesos largos que requieren altas temperaturas y conllevan un gran consumo energético.

Materiales cerámicos como la circona (ZrO2) han atraído la atención de los investigadores debido a sus excelentes propiedades mecánicas, térmicas y de alta resistencia química. Además, hay que mencionar que se trata de un material altamente biocompatible y que no reacciona en ambientes húmedos, lo cual hace que pueda utilizarse en una amplia gama de sectores transversales, que van desde el aeroespacial hasta la medicina protésica. Una de las características importantes de la circona, dada su naturaleza de sólido cristalino blanco, es que sea sencilla de colorear, pudiendo obtener tonalidades muy similares a las de la dentina humana con pequeños dopajes de óxidos metálicos, es por ello que su uso se ha extendido ampliamente en la odontología. Otra de las propiedades significativas que hacen de esta cerámica un material excepcional es su alta conductividad iónica, que le permite ser utilizada como electrolito en las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC).

El conjunto de todas las propiedades mencionadas hace de la circona un material muy versátil con un amplio abanico de posibles aplicaciones, que abarca desde celdas de combustible sólido, recubrimientos para hélices de turbinas, intercambiadores de calor, así como para medicina protésica, odontología y otras aplicaciones.

El propósito de esta tesis doctoral es la obtención de materiales cerámicos nanoestructurados basados en circona que puedan ser empleados en la fabricación de nuevos composites con propiedades a carta para los diversos sectores anteriormente mencionados. Para ello, se utilizará la tecnología de sinterización no convencional basada en microondas, la cual nos permite consolidar materiales altamente densificados a temperaturas relativamente bajas y ciclos muy cortos de tiempo, a la vez de que se trata de un procesado limpio, ecológico y medioambientalmente sostenible.

En esta investigación se ha planteado el estudio de distintos composites base circona estabilizada con ytria: circona dopada con óxido de hierro (Fe2O3), composites de circona con manganita de lantano dopada con estroncio (LSM) y composites circona-circón (ZrSiO4).

Los resultados obtenidos de esta investigación permitirán, por una parte, determinar si la técnica de sinterización rápida no-convencional empleada mejora las propiedades tanto mecánicas, eléctricas, magnéticas y químicas de los materiales en comparación con la sinterización convencional, y por otra parte, avanzar en el diseño y fabricación de materiales cerámicos avanzados.

[CA] A causa dels ràpids avanços tecnològics de les últimes dècades han sorgit noves necessitats que requereixen la generació de nous materials a la carta que complisquen amb unes certes funcionalitats o que adquirisquen característiques concretes. A aquest disseny de materials a la carta cal sumar la problemàtica dels processos de conformat, que en el cas dels materials ceràmics són processos llargs que requereixen altes temperatures i comporten un gran consum energètic.

Materials ceràmics com la circona (ZrO2) han atret l'atenció dels investigadors a causa de les seues excel·lents propietats mecàniques, tèrmiques i d'alta resistència química. A més, cal esmentar que es tracta d'un material altament biocompatible i que no reacciona en ambients humits, la qual cosa fa que puga utilitzar-se en una àmplia gamma de sectors transversals, que van des de l'aeroespacial fins a la medicina protètica. Una de les característiques importants de la circona, donada la seua naturalesa de sòlid cristal·lí blanc, és que siga senzilla d'acolorir, podent obtindre tonalitats molt similars a les de la dentina humana amb xicotets dopatges d'òxids metàl·lics, és per això que el seu ús s'ha estés àmpliament en l'odontologia. Una altra de les propietats significatives que fan d'aquesta ceràmica un material excepcional és la seua alta conductivitat iònica, que li permet ser utilitzada com a electròlit en les piles de combustible d'òxid sòlid (SOFC).

El conjunt de totes les propietats esmentades fa de la circona un material molt versàtil amb un ampli ventall de possibles aplicacions, que abasta des de cel·les de combustible sòlid, recobriments per a hèlices de turbines, bescanviadors de calor, així com per a medicina protètica, odontologia i altres aplicacions.

El propòsit d'aquesta tesi doctoral és l'obtenció de materials ceràmics nanoestructurats basats en circona que puguen ser emprats en la fabricació de nous compòsits amb propietats a carta per als diversos sectors anteriorment esmentats. Per a això, s'utilitzarà la tecnologia de sinterització no convencional basada en microones, la qual ens permet consolidar materials altament densificats a temperatures relativament baixes i cicles molt curts de temps, alhora de què es tracta d'un processament net, ecològic i mediambientalment sostenible.

En aquesta investigació s'ha plantejat l'estudi de diferents compòsits base circona estabilitzada amb ytria: circona dopada amb òxid de ferro (Fe2O3), compòsits de circona amb manganita de lantani dopada amb estronci (LSM) i compòsits circona-circón (ZrSiO4).

Els resultats obtinguts d'aquesta investigació permetran, d'una banda, determinar si la tècnica de sinterització ràpida no-convencional empleada millora les propietats tant mecàniques, elèctriques, magnètiques i químiques dels materials en comparació amb la sinterització convencional, i d'altra banda, avançar en el disseny i fabricació de materials ceràmics avançats.

[EN] Due to the rapid technological advances of recent decades, new needs have arisen that require the generation of new on demand materials that meet certain functionalities or acquire specific characteristics. In addition to the design of tailor-made materials, there is the problem of forming processes, which in the case of ceramic materials are long processes that require high temperatures and entail high energy consumption.

Ceramic materials such as zirconia (ZrO2) have attracted the attention of researchers due to their excellent mechanical, thermal and high chemical resistance properties. In addition, it should be mentioned that it is a highly biocompatible material that does not react in humid environments, which makes it suitable for use in a wide range of cross-cutting sectors, ranging from aerospace to prosthetic medicine. One of the important characteristics of zirconia, given its nature as a white crystalline solid, is that it is easy to color, being able to obtain shades very similar to those of human dentin with small doping of metal oxides, which is why its use has been widely extended in dentistry. Another significant property that makes this ceramic an exceptional material is its high ionic conductivity, which allows it to be used as an electrolyte in solid oxide fuel cells (SOFC).

All these properties together make zirconia a very versatile material with a wide range of possible applications, ranging from solid fuel cells, coatings for turbine propellers, heat exchangers, as well as for prosthetic medicine, dentistry and other applications.

The purpose of this doctoral thesis is to obtain zirconia-based nanostructured ceramic materials that can be used in the fabrication of new composites with tailored properties for the various sectors mentioned above. For this purpose, the non-conventional microwave-based sintering technology will be used, which allows us to consolidate highly densified materials at relatively low temperatures and very short cycle times, as well as being a clean, ecological and environmentally sustainable process.

In this research, the study of different zirconia-based composites stabilized with yttria has been proposed: zirconia doped with iron oxide (Fe2O3), zirconia composites with lanthanum manganite doped with strontium (LSM) and zirconia-zirconia composites (ZrSiO4).

The results obtained from this research will allow, on the one hand, to determine if the non-conventional fast sintering technique used improves the mechanical, electrical, magnetic and chemical properties of the materials in comparison with conventional sintering, and on the other hand, to advance in the design and fabrication of advanced ceramic materials.