En la ciencia de los materiales, los compuestos de matriz cerámica ( CMC ) son un subgrupo de materiales compuestos y un subgrupo de cerámicas . Consisten en fibras cerámicas incrustadas en una matriz cerámica . Tanto las fibras como la matriz pueden consistir en cualquier material cerámico, incluido el carbono y las fibras de carbono .
La motivación para desarrollar CMC fue superar los problemas asociados con las cerámicas técnicas convencionales como la alúmina , el carburo de silicio , el nitruro de aluminio , el nitruro de silicio o el circonio : se fracturan fácilmente bajo cargas mecánicas o termomecánicas debido a grietas iniciadas por pequeños defectos o rayones. La resistencia al agrietamiento es muy baja, como en el caso del vidrio.
Para aumentar la resistencia al agrietamiento o la tenacidad a la fractura , se incrustaron partículas (las llamadas plaquetas o bigotes monocristalinos ) en la matriz. Sin embargo, la mejora fue limitada y esos productos encontraron aplicación sólo en algunas herramientas de corte de cerámica.
La integración de fibras largas de múltiples hebras ha aumentado drásticamente la resistencia al agrietamiento, el alargamiento y la resistencia al choque térmico , y ha dado lugar a varias aplicaciones nuevas. Los refuerzos utilizados en los compuestos de matriz cerámica (CMC) sirven para mejorar la tenacidad a la fractura del sistema de materiales combinados y al mismo tiempo aprovechar la alta resistencia inherente y el módulo de Young de la matriz cerámica.
La realización de refuerzo más común es una fibra cerámica de longitud continua, con un módulo elástico que normalmente es algo menor que el de la matriz. La función funcional de esta fibra es (1) aumentar la tensión CMC para el progreso de las microfisuras a través de la matriz, aumentando así la energía gastada durante la propagación de las grietas; y luego (2) cuando comienzan a formarse grietas de espesor completo a través del CMC con un estrés más alto (esfuerzo límite proporcional, PLS), para unir estas grietas sin fracturarse, proporcionando así al CMC una alta resistencia a la tracción máxima (UTS). De esta manera, los refuerzos de fibra cerámica no sólo aumentan la resistencia inicial de la estructura compuesta a la propagación de grietas, sino que también permiten que el CMC evite la falla abrupta y frágil que es característica de las cerámicas monolíticas.
Este comportamiento es distinto del comportamiento de las fibras cerámicas en compuestos de matriz polimérica (PMC) y compuestos de matriz metálica (MMC), donde las fibras típicamente se fracturan antes que la matriz debido a las mayores capacidades de deformación por falla de estas matrices.
Las fibras de carbono (C), carburo de silicio especial (SiC), alúmina ( Al 2 O 3 ) y mullita ( Al 2 O 3 −SiO 2 ) se utilizan con mayor frecuencia para las CMC. Los materiales de la matriz suelen ser los mismos, es decir, C, SiC, alúmina y mullita. En ciertos sistemas cerámicos, incluidos el SiC y el nitruro de silicio , los procesos de crecimiento anormal de granos pueden dar como resultado una microestructura que exhibe granos grandes y alargados en una matriz de granos redondeados más finos. Las microestructuras derivadas de AGG exhiben endurecimiento debido a la formación de puentes y deflexión de grietas por parte de los granos alargados, lo que puede considerarse como un refuerzo de fibra producido in situ. Recientemente, se investigaron las cerámicas de temperatura ultraalta (UHTC) como matriz cerámica en una nueva clase de CMC, los llamados compuestos de matriz cerámica de temperatura ultraalta (UHTCMC) o compuestos cerámicos de temperatura ultraalta (UHTCC). [1] [2] [3] [4] [5]
Generalmente, los nombres de CMC incluyen una combinación de tipo de fibra/tipo de matriz . Por ejemplo, C/C significa carbono reforzado con fibra de carbono ( carbon/carbon ), o C/SiC significa carburo de silicio reforzado con fibra de carbono. A veces se incluye el proceso de fabricación, y un compuesto de C/SiC fabricado con el proceso de infiltración de polímero líquido (LPI) (ver más abajo) se abrevia como LPI-C/SiC .
Las CMC importantes disponibles comercialmente son C/C, C/SiC, SiC/SiC y Al 2 O 3 /Al 2 O 3 . Se diferencian de las cerámicas convencionales por las siguientes propiedades, que se presentan con más detalle a continuación:
Los procesos de fabricación suelen constar de los siguientes tres pasos:
El primer y el último paso son casi los mismos para todos los CMC: en el paso uno, las fibras, a menudo denominadas rovings, se disponen y fijan utilizando técnicas utilizadas en materiales plásticos reforzados con fibras, como el laminado de telas , el bobinado de filamentos, trenzado y anudado . El resultado de este procedimiento se denomina fibra-preforma o simplemente preforma .
Para el segundo paso, se utilizan cinco procedimientos diferentes para rellenar la matriz cerámica entre las fibras de la preforma:
Los procedimientos uno, dos y tres encuentran aplicaciones con CMC sin óxido, mientras que el cuarto se utiliza para CMC con óxido; También se practican combinaciones de estos procedimientos. El quinto procedimiento aún no está establecido en los procesos industriales. Todos los procedimientos tienen subvariaciones que se diferencian en detalles técnicos. Todos los procedimientos producen un material poroso.
El tercer y último paso del mecanizado ( rectificado , taladrado , lapeado o fresado ) debe realizarse con herramientas de diamante. Las CMC también se pueden procesar con chorro de agua , láser o mecanizado ultrasónico .
Las fibras cerámicas en CMC pueden tener una estructura policristalina , como en las cerámicas convencionales. También pueden ser amorfos o tener una composición química no homogénea , que se desarrolla tras la pirólisis de precursores orgánicos . Las altas temperaturas del proceso requeridas para fabricar CMC impiden el uso de fibras orgánicas, metálicas o de vidrio . Sólo se pueden utilizar fibras estables a temperaturas superiores a 1000 °C (1800 °F), como fibras de alúmina, mullita, SiC, circonia o carbono. Las fibras de SiC amorfo tienen una capacidad de alargamiento superior al 2%, mucho mayor que la de los materiales cerámicos convencionales (0,05 a 0,10%). [6] La razón de esta propiedad de las fibras de SiC es que la mayoría de ellas contienen elementos adicionales como oxígeno , titanio y/o aluminio que producen una resistencia a la tracción superior a 3 GPa. Estas propiedades elásticas mejoradas son necesarias para diversas disposiciones de fibras tridimensionales (ver ejemplo en la figura) en la fabricación textil , donde es esencial un radio de curvatura pequeño. [7]
La deposición química de vapor (CVD) es muy adecuada para este propósito. En presencia de una preforma de fibra, la CVD tiene lugar entre las fibras y sus filamentos individuales y, por lo tanto, se denomina infiltración química de vapor (CVI). Un ejemplo es la fabricación de compuestos C/C: una preforma de fibra C se expone a una mezcla de argón y un gas hidrocarburo ( metano , propano , etc.) a una presión de aproximadamente 100 kPa o menos y una temperatura superior a 1000 °. C. El gas se descompone depositando carbono sobre y entre las fibras. Otro ejemplo es la deposición de carburo de silicio, que generalmente se realiza a partir de una mezcla de hidrógeno y metiltriclorosilano (MTS, CH 3 SiCl 3 ; también es común en la producción de silicona ). En condiciones definidas, esta mezcla de gases deposita carburo de silicio fino y cristalino sobre la superficie caliente dentro de la preforma. [8] [9]
Este procedimiento CVI deja un cuerpo con una porosidad de aproximadamente 10-15%, ya que el acceso de los reactivos al interior de la preforma se bloquea cada vez más por la deposición en el exterior.
Los polímeros de hidrocarburos se encogen durante la pirólisis y, al desgasificarse, forman carbono con una estructura amorfa similar al vidrio, que mediante un tratamiento térmico adicional se puede cambiar a una estructura más parecida al grafito . Otros polímeros especiales, conocidos como polímeros precerámicos en los que algunos átomos de carbono son reemplazados por átomos de silicio, los llamados policarbosilanos , producen carburo de silicio amorfo de composición más o menos estequiométrica . Ya existe una gran variedad de precursores de carburo de silicio , oxicarburo de silicio , carbonitruro de silicio y oxinitruro de silicio y se están desarrollando más polímeros precerámicos para la fabricación de cerámicas derivadas de polímeros . [10] Para fabricar un material CMC, la preforma de fibra se infiltra con el polímero elegido. El curado y la pirólisis posteriores producen una matriz altamente porosa, lo cual no es deseable para la mayoría de las aplicaciones. Se realizan más ciclos de infiltración de polímero y pirólisis hasta lograr la calidad final deseada. Por lo general, son necesarios de cinco a ocho ciclos. [11] [12] [13]
El proceso se llama infiltración de polímeros líquidos (LPI) o infiltración y pirólisis de polímeros (PIP). También en este caso es común una porosidad de aproximadamente el 15% debido a la contracción del polímero. La porosidad se reduce después de cada ciclo.
Con este método, un material ubicado entre las fibras reacciona con un segundo material para formar la matriz cerámica. Algunas cerámicas convencionales también se fabrican mediante reacciones químicas . Por ejemplo, el nitruro de silicio unido por reacción (RBSN) se produce mediante la reacción de polvo de silicio con nitrógeno, y el carbono poroso reacciona con el silicio para formar carburo de silicio unido por reacción , un carburo de silicio que contiene inclusiones de una fase de silicio. Un ejemplo de fabricación de CMC, que se introdujo para la producción de discos de freno cerámicos , es la reacción del silicio con una preforma porosa de C/C. [14] La temperatura del proceso está por encima de 1.414 °C (2.577 °F), es decir, por encima del punto de fusión del silicio, y las condiciones del proceso se controlan de manera que las fibras de carbono de la preforma C/C conserven casi por completo sus propiedades mecánicas. . Este proceso se llama infiltración de silicio líquido (LSI). En ocasiones, y por su punto de partida con C/C, el material se abrevia como C/C-SiC . El material producido en este proceso tiene una porosidad muy baja de aproximadamente el 3%.
Este proceso se utiliza para fabricar materiales CMC de fibra de óxido/matriz de óxido. Dado que la mayoría de las fibras cerámicas no pueden soportar las temperaturas normales de sinterización superiores a 1600 °C (2910 °F), se utilizan líquidos precursores especiales para infiltrar la preforma de fibras de óxido. Estos precursores permiten la sinterización, es decir, procesos de formación de cerámica, a temperaturas de 1000 a 1200 °C. Se basan, por ejemplo, en mezclas de polvo de alúmina con los líquidos ortosilicato de tetraetilo (como donante de Si) y butilato de aluminio (como donante de Al), de las que se obtiene una matriz de mullita. También se utilizan otras técnicas, como la química del proceso sol-gel . Las CMC obtenidas con este proceso suelen tener una alta porosidad de aproximadamente el 20%. [15] [16]
En el proceso electroforético , las partículas cargadas eléctricamente dispersas en un líquido especial se transportan a través de un campo eléctrico hasta la preforma, que tiene la polaridad de carga eléctrica opuesta. Este proceso está en desarrollo y aún no se utiliza industrialmente. [17] [18] También aquí es de esperar que quede algo de porosidad.
La alta tenacidad a la fractura o resistencia al agrietamiento mencionada anteriormente es el resultado del siguiente mecanismo: bajo carga, la matriz cerámica se agrieta, como cualquier material cerámico, con un alargamiento de aproximadamente el 0,05%. En los CMC, las fibras incrustadas unen estas grietas (ver imagen). Este mecanismo funciona sólo cuando la matriz puede deslizarse a lo largo de las fibras, lo que significa que debe haber una unión débil entre las fibras y la matriz. Una unión fuerte requeriría una capacidad de alargamiento muy alta de la fibra que une la grieta y daría como resultado una fractura frágil, como ocurre con las cerámicas convencionales. La producción de material CMC con alta resistencia al agrietamiento requiere un paso para debilitar esta unión entre las fibras y la matriz. Esto se logra depositando una fina capa de carbono pirolítico o nitruro de boro sobre las fibras, lo que debilita la unión en la interfaz fibra/matriz, lo que provoca que la fibra se desprenda en las superficies de las grietas, como se muestra en la imagen SEM en la parte superior de Este artículo. En las CMC de óxido, la alta porosidad de la matriz es suficiente para establecer un enlace débil.
La influencia y la calidad de la interfaz de la fibra se pueden evaluar a través de propiedades mecánicas. Las mediciones de la resistencia a las fisuras se realizaron con probetas entalladas (ver figura) en los llamados ensayos de curvatura de un solo borde (SENB). En mecánica de fracturas , los datos medidos (fuerza, geometría y superficie de la grieta) se normalizan para producir el llamado factor de intensidad de tensión (SIF), K Ic . Debido a la complejidad de la superficie de la grieta (consulte la figura al principio de este artículo), no se puede determinar el área real de la superficie de la grieta para los materiales CMC. Por lo tanto, las mediciones utilizan la muesca inicial como superficie de la grieta, lo que produce el SIF formal que se muestra en la figura. Esto requiere una geometría idéntica para comparar diferentes muestras. Por lo tanto, el área bajo estas curvas proporciona una indicación relativa de la energía requerida para impulsar la punta de la grieta a través de la muestra (la fuerza multiplicada por la longitud del camino da energía). Los máximos indican el nivel de carga necesario para propagar la grieta a través de la muestra. En comparación con la muestra de cerámica SiSiC convencional, se pueden hacer dos observaciones:
En la tabla, CVI, LPI y LSI indican el proceso de fabricación del material C/SiC. Los datos sobre los óxidos CMC y SiSiC se obtienen de las hojas de datos del fabricante. La resistencia a la tracción de SiSiC y Al 2 O 3 se calcularon a partir de mediciones de alargamiento a la fractura y módulo de Young , ya que generalmente sólo se dispone de datos de resistencia a la flexión para esas cerámicas. Los valores promedio se dan en la tabla y es posible que existan diferencias significativas, incluso dentro de una misma ruta de fabricación.
Las pruebas de tracción de CMC generalmente muestran curvas de tensión-deformación no lineales, que parecen como si el material se deformara plásticamente. Se denomina cuasiplástico porque el efecto se debe a las microfisuras que se forman y se puentean con una carga cada vez mayor. Dado que el módulo de Young de las fibras que soportan carga es generalmente menor que el de la matriz, la pendiente de la curva disminuye al aumentar la carga.
Las curvas de las pruebas de flexión son similares a las de las mediciones de resistencia al agrietamiento que se muestran arriba.
Las siguientes características son esenciales para evaluar los datos de flexión y tracción de los CMC:
El principal criterio de calidad para las CMC es el comportamiento de resistencia al agrietamiento o la tenacidad a la fractura.
Aunque los CMC pueden funcionar a temperaturas muy altas, la deformación por fluencia todavía se produce alrededor de 1000 °C, en el rango de ciertas aplicaciones de alta temperatura. [20] La fluencia actúa sobre la matriz o la fibra dependiendo de la relación de desajuste de fluencia (CMR) entre la tasa de deformación efectiva de la fibra y la tasa de deformación efectiva de la matriz. El componente con la menor tasa de deformación soporta la carga y es susceptible a la fluencia.
Las tres etapas principales de fluencia se rigen por la relación de desajuste de fluencia. Durante la fluencia primaria, las tensiones internas se transfieren permitiendo que el CMR se acerque a la unidad, así como la etapa de fluencia secundaria. La etapa de fluencia terciaria, donde ocurre la falla, puede estar gobernada por la fluencia de la fibra, donde la falla ocurre debido a la fractura de la fibra, o la fluencia de la matriz, que conduce al agrietamiento de la matriz. Por lo general, la resistencia a la fluencia de la matriz es peor que la de la fibra, por lo que la fibra soporta la carga. [21] Sin embargo, el agrietamiento de la matriz aún puede ocurrir con regiones de fibra débiles, lo que resulta en oxidación en atmósferas oxidantes, debilitando el material. El aumento de la temperatura, la tensión aplicada y la densidad de los defectos conducen a una mayor deformación por fluencia y a una falla más temprana.
Se puede aplicar una regla de mezclas para encontrar la velocidad de deformación del compuesto dadas las velocidades de deformación de los constituyentes. [22] Para las partículas, una simple suma del producto de la fracción del área de la sección transversal y la respuesta de fluencia de cada componente puede determinar la respuesta de fluencia total del compuesto. Para las fibras, una suma de la respuesta de fluencia de los constituyentes dividida por la fracción del área de la sección transversal determina la respuesta de fluencia total.
Partículas:
Fibras:
donde es la respuesta a la fluencia y es la fracción de área de la sección transversal constituyente.
En muchos componentes de CMC, las fibras están dispuestas como tejidos de tejido liso o satinado apilados bidimensionales (2D) . Así el material resultante es anisotrópico o, más concretamente, ortotrópico . Una grieta entre las capas no se cubre con fibras. Por lo tanto, la resistencia al corte interlaminar (ILS) y la resistencia perpendicular a la orientación de la fibra 2D son bajas para estos materiales. La delaminación puede ocurrir fácilmente bajo ciertas cargas mecánicas. Las estructuras de fibras tridimensionales pueden mejorar esta situación (ver micrografía arriba).
Las resistencias a la compresión que se muestran en la tabla son inferiores a las de las cerámicas convencionales, donde son habituales valores superiores a 2000 MPa; esto es el resultado de la porosidad.
La estructura compuesta permite altas cargas dinámicas. En los ensayos llamados de fatiga de ciclo bajo (LCF) o fatiga de ciclo alto (HCF), el material experimenta cargas cíclicas bajo carga de tracción y compresión (LCF) o solo de tracción (HCF). Cuanto mayor sea la tensión inicial, más corta será la vida útil y menor el número de ciclos hasta la ruptura. Con una carga inicial del 80% de la resistencia, una muestra de SiC/SiC sobrevivió alrededor de 8 millones de ciclos (ver figura).
El índice de Poisson muestra una anomalía cuando se mide perpendicular al plano de la tela porque las grietas interlaminares aumentan el espesor de la muestra.
Las propiedades térmicas y eléctricas del compuesto son el resultado de sus constituyentes, es decir, fibras, matriz y poros, así como de su composición. La orientación de las fibras produce datos anisotrópicos. Las CMC de óxido son muy buenos aislantes eléctricos y, debido a su alta porosidad, su aislamiento térmico es mucho mejor que el de las cerámicas de óxido convencionales.
El uso de fibras de carbono aumenta la conductividad eléctrica , siempre que las fibras entren en contacto entre sí y con la fuente de voltaje. La matriz de carburo de silicio es un buen conductor térmico. Eléctricamente es un semiconductor y, por tanto, su resistencia disminuye al aumentar la temperatura. En comparación con el SiC (poli)cristalino, las fibras de SiC amorfo son relativamente malos conductores de calor y electricidad.
Comentarios para la tabla: (p) y (v) se refieren a datos paralelos y verticales a la orientación de la fibra de la estructura de fibra 2D, respectivamente. El material LSI tiene la mayor conductividad térmica debido a su baja porosidad, una ventaja a la hora de utilizarlo para discos de freno. Estos datos están sujetos a dispersión dependiendo de los detalles de los procesos de fabricación. [23]
Las cerámicas convencionales son muy sensibles al estrés térmico debido a su alto módulo de Young y su baja capacidad de alargamiento. Las diferencias de temperatura y la baja conductividad térmica crean alargamientos localmente diferentes, que junto con el alto módulo de Young generan altas tensiones. Esto resulta en grietas, rupturas y fallas frágiles. En las CMC, las fibras unen las grietas y los componentes no muestran daños macroscópicos, incluso si la matriz se ha agrietado localmente. La aplicación de CMC en discos de freno demuestra la eficacia de los materiales compuestos cerámicos en condiciones extremas de choque térmico.
Los datos sobre el comportamiento de corrosión de las CMC son escasos, excepto para la oxidación a temperaturas superiores a 1000 °C. Estas propiedades están determinadas por los constituyentes, es decir, las fibras y la matriz. Los materiales cerámicos, en general, son muy estables a la corrosión. El amplio espectro de técnicas de fabricación con diferentes aditivos de sinterización, mezclas, fases vítreas y porosidades son cruciales para los resultados de las pruebas de corrosión. Menos impurezas y una estequiometría exacta conducen a una menor corrosión. Las estructuras amorfas y los productos químicos no cerámicos que se utilizan frecuentemente como coadyuvantes de sinterización son puntos de partida del ataque corrosivo. [24] [25]
La alúmina pura muestra una excelente resistencia a la corrosión contra la mayoría de los productos químicos. Las fases amorfas de vidrio y sílice en los límites de los granos determinan la velocidad de corrosión en ácidos y bases concentrados y provocan fluencia a altas temperaturas. Estas características limitan el uso de alúmina. Para los metales fundidos, la alúmina se utiliza únicamente con oro y platino.
Estas fibras demuestran propiedades de corrosión similares a las de la alúmina, pero las fibras disponibles comercialmente no son muy puras y, por lo tanto, menos resistentes. Debido a la fluencia a temperaturas superiores a 1000 °C, las CMC de óxido sólo tienen unas pocas aplicaciones.
La corrosión más significativa del carbono ocurre en presencia de oxígeno por encima de aproximadamente 500 °C (932 °F). Se quema para formar dióxido de carbono y/o monóxido de carbono . También se oxida en agentes oxidantes fuertes como el ácido nítrico concentrado . En los metales fundidos se disuelve y forma carburos metálicos . Las fibras de carbono no se diferencian del carbono en su comportamiento frente a la corrosión.
El carburo de silicio puro es uno de los materiales más resistentes a la corrosión. Sólo las bases fuertes, el oxígeno por encima de aproximadamente 800 °C (1470 °F) y los metales fundidos reaccionan con él para formar carburos y siliciuros . La reacción con el oxígeno forma SiO 2 y CO 2 , donde una capa superficial de SiO 2 frena la oxidación posterior ( oxidación pasiva ). Temperaturas superiores a aproximadamente 1.600 °C (2.910 °F) y una baja presión parcial de oxígeno dan como resultado la llamada oxidación activa , en la que se forman CO, CO 2 y SiO gaseoso, lo que provoca una rápida pérdida de SiC. Si la matriz de SiC no se produce mediante CVI, la resistencia a la corrosión no es tan buena. Esto es consecuencia de la porosidad en el LPI amorfo y del silicio residual en la matriz LSI.
Las fibras de carburo de silicio se producen mediante pirólisis de polímeros orgánicos y, por lo tanto, sus propiedades de corrosión son similares a las del carburo de silicio que se encuentra en las matrices LPI. Por tanto, estas fibras son más sensibles a las bases y a los medios oxidantes que el carburo de silicio puro.
Los materiales CMC superan las principales desventajas de las cerámicas técnicas convencionales, a saber, fallas frágiles y baja tenacidad a la fractura, y una resistencia limitada al choque térmico. Por lo tanto, sus aplicaciones se encuentran en campos que requieren confiabilidad a altas temperaturas (más allá de la capacidad de los metales) y resistencia a la corrosión y al desgaste. [26] Estos incluyen:
Además de lo anterior, los CMC se pueden utilizar en aplicaciones que emplean cerámicas convencionales o en las que los componentes metálicos tienen una vida útil limitada debido a la corrosión o las altas temperaturas.
Durante la fase de reingreso de los vehículos espaciales, el sistema de protección térmica se expone a temperaturas superiores a 1.500 °C (2.730 °F) durante unos minutos. Sólo los materiales cerámicos pueden sobrevivir a tales condiciones sin sufrir daños importantes y, entre las cerámicas, sólo los CMC pueden soportar adecuadamente los choques térmicos. El desarrollo de sistemas de protección térmica basados en CMC promete las siguientes ventajas:
En estas aplicaciones, las altas temperaturas impiden el uso de CMC de fibra de óxido, porque bajo las cargas esperadas la fluencia sería demasiado alta. Las fibras de carburo de silicio amorfo pierden su resistencia debido a la recristalización a temperaturas superiores a 1250 °C (2280 °F). Por lo tanto, las fibras de carbono en una matriz de carburo de silicio (C/SiC) se utilizan en programas de desarrollo para estas aplicaciones. El programa europeo HERMES de la ESA , iniciado en los años 1980 y abandonado por razones financieras en 1992, ha dado los primeros resultados. Varios programas de seguimiento se centraron en el desarrollo, fabricación y calificación de la tapa de la nariz, los bordes de ataque y las aletas de dirección para el vehículo espacial X-38 de la NASA . [27] [28]
Este programa de desarrollo ha cualificado el uso de tornillos y tuercas C/SiC [29] y el sistema de soporte de las trampillas. Estos últimos fueron probados en tierra en el DLR en Stuttgart, Alemania, en las condiciones esperadas de la fase de reentrada: 1.600 °C (2.910 °F), 4 toneladas de carga, presión parcial de oxígeno similar a las condiciones de reentrada y rodamiento simultáneo. movimientos de cuatro ciclos por segundo. Se simularon un total de cinco fases de reingreso. [30] El diseño y la fabricación de las dos aletas de dirección y sus cojinetes, tornillos y tuercas fueron realizados por MT Aerospace en Augsburgo, Alemania, basándose en el proceso CVI para la producción de carburo de silicio reforzado con fibra de carbono (consulte los procedimientos de fabricación más arriba). Además, se desarrollaron y cualificaron sistemas de protección contra la oxidación para evitar el quemado de las fibras de carbono. Después del montaje de los flaps, la NASA realizó con éxito pruebas mecánicas en tierra en Houston, Texas, EE. UU. La siguiente prueba, un reingreso real del vehículo no tripulado X-38, fue cancelada por motivos económicos. Uno de los transbordadores espaciales habría puesto el vehículo en órbita, desde donde habría regresado a la Tierra.
Estas calificaciones eran prometedoras sólo para esta aplicación. La carga de alta temperatura dura sólo unos 20 minutos por reingreso y, para su reutilización, sólo unos 30 ciclos serían suficientes. Sin embargo, para aplicaciones industriales en un entorno de gas caliente, se requieren varios cientos de ciclos de cargas térmicas y hasta muchos miles de horas de vida útil.
El Vehículo Experimental Intermedio (IXV), un proyecto iniciado por la ESA en 2009, [31] es el primer vehículo de reentrada con carrocería elevadora de Europa. Desarrollado por Thales Alenia Space , el IXV debía realizar su primer vuelo en 2014 en la cuarta misión Vega (VV04) sobre el Golfo de Guinea. Más de 40 empresas europeas contribuyeron a su construcción. El sistema de protección térmica de la parte inferior del vehículo, que comprende el morro, los bordes de ataque y la superficie inferior del ala, fue diseñado y fabricado por Herakles [32] utilizando un compuesto de matriz cerámica (CMC), carbono/carburo de silicio (C/ SiC), en este caso basado en el proceso de infiltración de silicio líquido (LSI) (ver procedimientos de fabricación más arriba). Estos componentes deberían haber funcionado como escudo térmico del vehículo durante su reingreso a la atmósfera. [33]
La Comisión Europea financió en 2016 un proyecto de investigación, C3HARME, dentro de la convocatoria NMP-19-2015 de Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico (H2020) para el diseño, desarrollo, producción y ensayo de una nueva clase de sensores de temperatura ultraalta. Compuestos de matriz cerámica (UHTCMC) reforzados con fibras de carburo de silicio y fibras de carbono adecuados para aplicaciones en entornos aeroespaciales severos como sistemas de propulsión y protección térmica (TPS). [34]
El uso de CMC en turbinas de gas permite temperaturas de entrada de turbina más altas, lo que mejora la eficiencia del motor. Debido a la compleja forma de las paletas del estator y de las turbinas, el desarrollo se centró primero en la cámara de combustión. En EE. UU., se probó con éxito durante 15.000 horas una cámara de combustión hecha de SiC/SiC con una fibra de SiC especial de mayor estabilidad a altas temperaturas. [35] La oxidación de SiC se redujo sustancialmente mediante el uso de un recubrimiento de protección contra la oxidación que consta de varias capas de óxidos. [36]
La colaboración de motores entre General Electric y Rolls-Royce estudió el uso de paletas del estator CMC en la sección caliente del motor turbofan F136 , un motor que no logró superar al Pratt and Whitney F-135 para su uso en el Joint Strike Fighter . La empresa conjunta de motores CFM International está utilizando CMC para fabricar las cubiertas de las turbinas de alta temperatura. [37] General Electric está utilizando CMC en los revestimientos de la cámara de combustión, las boquillas y la cubierta de la turbina de alta temperatura para su próximo motor GE9X. [38] Las piezas CMC también se están estudiando para aplicaciones estacionarias tanto en la sección fría como en la caliente de los motores, ya que las tensiones impuestas sobre las piezas giratorias requerirían un mayor esfuerzo de desarrollo. En general, continúa el desarrollo de CMC para su uso en turbinas para reducir los problemas técnicos y la reducción de costos.
Después de una inversión de 1.500 millones de dólares y 20 años de investigación y desarrollo , para 2020, GE Aviation pretende producir por año hasta 20 t (44 000 lb) de preimpregnado de CMC y 10 t de fibra de carburo de silicio . La deposición química de vapor puede aplicar recubrimientos sobre una cinta de fibra tendible en grandes cantidades y GE logró infiltrarse y fundir piezas con densidades de silicio muy altas, superiores al 90 % para entornos de fatiga cíclica , gracias al procesamiento térmico. [39]
Recubrimientos de barrera ambiental (EBC) para proteger los componentes de las turbinas de gas
Los recubrimientos de barrera ambiental (EBC) proporcionan una barrera a los CMC para reducir la cantidad de oxígeno y otras sustancias corrosivas que se difunden a través de la superficie de los componentes de los CMC.
Requisitos de diseño para EBC:
Normalmente, cuando se recubre con un EBC, se requiere una capa adhesiva para soportar una buena adhesión al componente CMC. La NASA ha desarrollado un EBC a base de lechada que comienza con un recubrimiento a base de mullita antes de aplicar 2 o 3 capas adicionales. [40] Para que los EBC protejan activamente la superficie del CMC, se deben agregar auxiliares de sinterización a la capa de lechada para crear una capa densa que bloqueará la penetración de oxígeno, depósitos gaseosos y fundidos del motor. La sinterización crea un recubrimiento densificado y mejora la unión y el rendimiento del recubrimiento.
Actualmente, se están realizando investigaciones para combatir modos de falla comunes como la delaminación, la erosión y el agrietamiento causados por vapor o depósitos fundidos. La delaminación y el agrietamiento debido a los depósitos fundidos generalmente son causados por la reacción con el EBC que crea una microestructura inesperada que conduce a una falta de coincidencia del CTE y una baja tenacidad en esa fase. La degradación por vapor es causada por la volatilización de la capa de óxido generada térmicamente entre el EBC y la cerámica. El vapor generado provoca una rápida disminución del SiC, es decir, una degradación del EBC. [41] El éxito de los EBC es imperativo para el éxito general de los componentes CMC en el flujo de gas de la turbina en los motores a reacción.
Beneficios generales de los EBC:
El gas que contiene oxígeno a temperaturas superiores a 1000 °C (1800 °F) es bastante corrosivo para los componentes metálicos y de carburo de silicio. Estos componentes, que no están expuestos a tensiones mecánicas elevadas, pueden fabricarse de CMC de óxido, que pueden soportar temperaturas de hasta 1200 °C (2190 °F). La siguiente galería muestra el sostenedor de llama de una panadería de pan crujiente probado durante 15.000 horas, que posteriormente funcionó durante un total de más de 20.000 horas. [42]
Las trampillas y los ventiladores que hacen circular gases calientes que contienen oxígeno se pueden fabricar con la misma forma que sus equivalentes metálicos. La vida útil de estos componentes CMC de óxido es varias veces mayor que la de los metales, que a menudo se deforman. Otro ejemplo es una compuerta levadiza de óxido CMC para un horno de sinterización, que ha sobrevivido a más de 260.000 ciclos de apertura. [43]
Los materiales de carbono/carbono (C/C) se utilizan en los frenos de disco de los coches de carreras y de los aviones , y los discos de freno C/SiC fabricados mediante el proceso LSI fueron cualificados y están disponibles comercialmente para coches deportivos . Las ventajas de estos discos C/SiC son:
La reducción de peso mejora la respuesta de los amortiguadores, el confort de conducción, la agilidad, el ahorro de combustible y, por tanto, el confort de conducción. [44]
La matriz de SiC del LSI tiene una porosidad muy baja, lo que protege bastante bien las fibras de carbono. Los discos de freno no experimentan temperaturas superiores a 500 °C (932 °F) durante más de unas pocas horas durante su vida útil. Por lo tanto, la oxidación no es un problema en esta aplicación. La reducción de los costes de fabricación decidirá el éxito de esta aplicación para coches de gama media. [ cita necesaria ]
El SiC convencional, o en ocasiones el SiSiC menos costoso , se ha utilizado con éxito durante más de 25 años en cojinetes deslizantes o lisos de bombas . [45] El propio líquido bombeado proporciona el lubricante para el rodamiento. La base de este éxito son una muy buena resistencia a la corrosión contra prácticamente todos los tipos de medios, un desgaste muy bajo y coeficientes de fricción bajos. Estos rodamientos constan de un rodamiento estático, ajustado por contracción en su entorno metálico, y un manguito de eje giratorio, montado en el eje. Bajo tensión de compresión, el rodamiento estático cerámico tiene un bajo riesgo de fallar, pero un casquillo de eje de SiC no tiene esta situación y, por lo tanto, debe tener un espesor de pared grande y/o estar diseñado especialmente. En bombas grandes con ejes de 100 a 350 mm (3,9 a 13,8 pulgadas) de diámetro, el riesgo de falla es mayor debido a los requisitos cambiantes en el rendimiento de la bomba (por ejemplo, cambios de carga durante el funcionamiento). La introducción de SiC/SiC como material para camisas de eje ha demostrado ser un gran éxito. Los experimentos en el banco de pruebas mostraron una capacidad de carga específica casi triple del sistema de rodamientos con un casquillo de eje de SiC/SiC, SiC sinterizado como rodamiento estático y agua a 80 °C (176 °F) como lubricante. [46] La capacidad de carga específica de un rodamiento suele expresarse en W /mm 2 y se calcula como producto de la carga (MPa), la velocidad superficial del rodamiento (m/s) y el coeficiente de fricción; es igual a la pérdida de potencia del sistema de rodamientos debido a la fricción.
Este concepto de cojinete deslizante, es decir, casquillo de eje de SiC/SiC y cojinete de SiC, se utiliza desde 1994 en aplicaciones como, por ejemplo, en bombas de agua de alimentación de calderas de centrales eléctricas [46] , que bombean varios miles de metros cúbicos de agua caliente hasta un nivel de 2.000 m (6.600 pies), y en bombas de carcasa tubular [47] para obras hidráulicas o plantas desalinizadoras de agua de mar , bombeando hasta 40.000 m 3 (1.400.000 pies cúbicos) a un nivel de alrededor de 20 m (66 pies).
Este sistema de rodamientos ha sido probado en bombas para oxígeno líquido , por ejemplo en turbobombas de oxígeno para motores de propulsión de cohetes espaciales, con los siguientes resultados. SiC y SiC/SiC son compatibles con oxígeno líquido. En una prueba de autoignición según la norma francesa NF 28-763, no se observó autoignición con SiC/SiC en polvo en oxígeno puro a 20 bar a temperaturas de hasta 525 °C (977 °F). Las pruebas han demostrado que el coeficiente de fricción es la mitad y el desgaste es una quinta parte del de los metales estándar utilizados en este entorno. [48] Un sistema de cojinete hidrostático (ver imagen) ha sobrevivido varias horas a una velocidad de hasta 10.000 revoluciones por minuto, varias cargas y 50 ciclos de transitorios de arranque/parada sin ningún rastro significativo de desgaste. [49]
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