Muchos materiales cerámicos , tanto vítreos como cristalinos, han encontrado uso como materiales ópticamente transparentes en varias formas, desde componentes de estado sólido a granel hasta formas de gran área superficial, como películas delgadas, recubrimientos y fibras. [1] Dichos dispositivos han encontrado un uso generalizado para varias aplicaciones en el campo electroóptico, incluyendo: fibras ópticas para transmisión de ondas de luz guiadas, interruptores ópticos , amplificadores láser y lentes , hosts para láseres de estado sólido y materiales de ventana óptica para láseres de gas, y dispositivos de búsqueda de calor infrarrojo (IR) para sistemas de guía de misiles y visión nocturna IR . [2] En los dominios comerciales y de conocimiento general, se acepta comúnmente que la cerámica transparente o el vidrio cerámico son variedades de vidrio reforzado, como los que se usan para el vidrio de la pantalla de un iPhone. [3]
Si bien las cerámicas monocristalinas pueden estar prácticamente libres de defectos (en particular, dentro de la escala espacial de la onda de luz incidente), la transparencia óptica de los materiales policristalinos está limitada por la cantidad de luz que se dispersa debido a sus características microestructurales. Por lo tanto, la cantidad de dispersión de luz depende de la longitud de onda de la radiación incidente, o luz. [4]
Por ejemplo, dado que la luz visible tiene una escala de longitud de onda del orden de cientos de nanómetros , los centros de dispersión tendrán dimensiones en una escala espacial similar. La mayoría de los materiales cerámicos, como la alúmina y sus compuestos, se forman a partir de polvos finos, lo que produce una microestructura policristalina de grano fino que está llena de centros de dispersión comparables a la longitud de onda de la luz visible . Por lo tanto, generalmente son opacos en oposición a los materiales transparentes . Sin embargo, la tecnología nanométrica reciente ha hecho posible la producción de cerámicas transparentes (poli)cristalinas como la alúmina Al2O3 , el granate de itrio y aluminio (YAG) y el Nd :YAG dopado con neodimio . [5] [6] [ 7] [8] [9] [10]
Las cerámicas transparentes han adquirido recientemente un alto grado de interés y notoriedad. Las aplicaciones básicas incluyen láseres y herramientas de corte, ventanas de blindaje transparentes, dispositivos de visión nocturna (NVD) y conos de nariz para misiles que buscan calor. Los materiales transparentes infrarrojos (IR) disponibles actualmente suelen presentar un equilibrio entre el rendimiento óptico y la resistencia mecánica. Por ejemplo, el zafiro (alúmina cristalina) es muy fuerte, pero carece de transparencia total en todo el rango de infrarrojo medio de 3 a 5 micrómetros. La itria es completamente transparente de 3 a 5 micrómetros, pero carece de suficiente resistencia, dureza y resistencia al choque térmico para aplicaciones aeroespaciales de alto rendimiento. No es sorprendente que una combinación de estos dos materiales en forma de granate de itria-alúmina ( YAG ) haya demostrado ser uno de los de mejor rendimiento en el campo. [2]
En 1961, General Electric comenzó a vender bombillas de alúmina transparente Lucalox. [11] En 1966, GE anunció una cerámica "transparente como el vidrio", llamada Yttralox. [12] En 2004, Anatoly Rosenflanz y sus colegas de 3M utilizaron una técnica de "pulverización por llama" para alear óxido de aluminio (o alúmina) con óxidos de metales de tierras raras con el fin de producir vitrocerámicas de alta resistencia con buenas propiedades ópticas. El método evita muchos de los problemas encontrados en la formación de vidrio convencional y puede extenderse a otros óxidos. Este objetivo se ha logrado fácilmente y se ha demostrado ampliamente en laboratorios e instalaciones de investigación en todo el mundo utilizando los métodos de procesamiento químico emergentes abarcados por los métodos de química sol-gel y nanotecnología . [13] [14] [15] [16] [17]
Muchos materiales cerámicos, tanto vítreos como cristalinos, han encontrado uso como anfitriones para láseres de estado sólido y como materiales de ventana óptica para láseres de gas. El primer láser funcional fue fabricado por Theodore H. Maiman en 1960 en los Laboratorios de Investigación Hughes en Malibú, quien tenía la ventaja sobre otros equipos de investigación dirigidos por Charles H. Townes en la Universidad de Columbia , Arthur Schawlow en los Laboratorios Bell y Gould en TRG (Technical Research Group). Maiman utilizó un rubí sintético bombeado por luz de estado sólido para producir luz láser roja a una longitud de onda de 694 nanómetros (nm). Los láseres de rubí sintético todavía se utilizan. [18] [19] Tanto los zafiros como los rubíes son corindón , una forma cristalina de óxido de aluminio (Al2O3).
Los láseres de rubí están compuestos por varillas de alúmina de zafiro monocristalino (Al2O3 ) dopadas con una pequeña concentración de cromo Cr, normalmente en el rango del 0,05 %. Las caras de los extremos están muy pulidas con una configuración plana y paralela. El YAG dopado con neodimio (Nd:YAG) ha demostrado ser uno de los mejores materiales para láseres de estado sólido. Su indiscutible dominio en una amplia variedad de aplicaciones láser está determinado por una combinación de una sección transversal de emisión alta con una larga vida útil de emisión espontánea, un alto umbral de daño, resistencia mecánica, conductividad térmica y baja distorsión térmica del haz. El hecho de que el crecimiento de cristales de Czochralski de Nd:YAG sea un procedimiento tecnológico maduro, altamente reproducible y relativamente simple agrega significativamente valor al material.
Los láseres Nd:YAG se utilizan en la fabricación para grabar, grabar o marcar una variedad de metales y plásticos. Se utilizan ampliamente en la fabricación para cortar y soldar acero y varias aleaciones. Para aplicaciones automotrices (corte y soldadura de acero), los niveles de potencia son típicamente de 1 a 5 kW. [20] Además, los láseres Nd:YAG se utilizan en oftalmología para corregir la opacificación capsular posterior , una afección que puede ocurrir después de la cirugía de cataratas , y para la iridotomía periférica en pacientes con glaucoma agudo de ángulo cerrado , donde ha reemplazado a la iridectomía quirúrgica . Los láseres Nd:YAG de frecuencia duplicada (longitud de onda de 532 nm) se utilizan para la fotocoagulación pan-retinal en pacientes con retinopatía diabética . En oncología , los láseres Nd:YAG se pueden utilizar para eliminar cánceres de piel . [21] Estos láseres también se utilizan ampliamente en el campo de la medicina cosmética para la depilación láser y el tratamiento de defectos vasculares menores, como las arañas vasculares en la cara y las piernas. Recientemente se han utilizado para diseccionar la celulitis, una enfermedad cutánea poco frecuente que suele aparecer en el cuero cabelludo. Mediante la histeroscopia en el campo de la ginecología, el láser Nd:YAG se ha utilizado para la eliminación de tabiques uterinos en el interior del útero. [22] En odontología, los láseres Nd:YAG se utilizan para cirugías de tejidos blandos en la cavidad oral .
Los vidrios (cerámicas no cristalinas) también se utilizan ampliamente como materiales de alojamiento para láseres. En relación con los láseres cristalinos, ofrecen una mayor flexibilidad en cuanto a tamaño y forma y pueden fabricarse fácilmente como sólidos isotrópicos, homogéneos y de gran tamaño con excelentes propiedades ópticas. Los índices de refracción de los materiales de alojamiento de láser de vidrio pueden variar entre aproximadamente 1,5 y 2,0, y tanto el coeficiente de temperatura de n como el coeficiente de deformación óptica pueden ajustarse modificando la composición química. Sin embargo, los vidrios tienen conductividades térmicas inferiores a la alúmina o el YAG, lo que impone limitaciones a su uso en aplicaciones continuas y de alta tasa de repetición. [20]
Las principales diferencias entre el comportamiento de los materiales de vidrio y de cerámica cristalina que albergan los láseres están asociadas con la mayor variación en el entorno local de los iones láser en sólidos amorfos. Esto conduce a una ampliación de los niveles de fluorescencia en los vidrios. Por ejemplo, el ancho de la emisión de Nd 3+ en YAG es de ~ 10 angstroms en comparación con ~ 300 angstroms en los vidrios de óxido típicos. Las líneas fluorescentes ensanchadas en los vidrios hacen que sea más difícil obtener un funcionamiento de láser de onda continua (CW), en relación con los mismos iones láser en los hospedadores de láser sólidos cristalinos. [20]
En los blindajes transparentes se utilizan diversos tipos de vidrio, como el vidrio plano normal (sódico-cálcico-sílice), el vidrio borosilicatado y el sílice fundido. El vidrio plano ha sido el vidrio más utilizado debido a su bajo coste, pero los mayores requisitos en cuanto a propiedades ópticas y rendimiento balístico han hecho necesario el desarrollo de nuevos materiales. Los tratamientos químicos o térmicos pueden aumentar la resistencia de los vidrios, y la cristalización controlada de determinadas composiciones de vidrio puede producir vitrocerámicas de calidad óptica. Alstom Grid Ltd. produce actualmente una vitrocerámica a base de disilicato de litio conocida como TransArm, para su uso en sistemas de blindaje transparente. Tiene toda la trabajabilidad de un vidrio amorfo, pero al recristalizarse demuestra propiedades similares a las de una cerámica cristalina. Vycor es un vidrio de sílice fundido al 96%, que es transparente, ligero y de alta resistencia. Una ventaja de este tipo de materiales es que se pueden producir en láminas grandes y otras formas curvas. [23] [24]
Recientemente se ha demostrado que los elementos láser (amplificadores, interruptores, receptores de iones, etc.) fabricados a partir de nanomateriales cerámicos de grano fino (producidos mediante la sinterización a baja temperatura de nanopartículas y polvos de alta pureza) se pueden producir a un costo relativamente bajo [ cita requerida ] . Estos componentes están libres de estrés interno o birrefringencia intrínseca y permiten niveles de dopaje relativamente grandes o perfiles de dopaje optimizados y diseñados a medida. Esto destaca el uso de nanomateriales cerámicos como particularmente importante para elementos y aplicaciones láser de alta energía.
Los centros de dispersión primarios en nanomateriales policristalinos (fabricados a partir de la sinterización de nanopartículas y polvos de alta pureza) incluyen defectos microestructurales como porosidad residual y límites de grano (ver Materiales transparentes ). Por lo tanto, la opacidad resulta en parte de la dispersión incoherente de la luz en superficies internas e interfaces . Además de la porosidad , la mayoría de las interfaces o superficies internas en nanomateriales cerámicos tienen la forma de límites de grano que separan regiones a escala nanométrica de orden cristalino . Además, cuando el tamaño del centro de dispersión (o límite de grano) se reduce muy por debajo del tamaño de la longitud de onda de la luz que se dispersa, la dispersión de la luz ya no se produce en un grado significativo. [25]
En el procesamiento de nanomateriales cerámicos de alto rendimiento con propiedades opto-mecánicas superiores en condiciones adversas, el tamaño de los granos cristalinos está determinado en gran medida por el tamaño de las partículas cristalinas presentes en la materia prima durante la síntesis o formación del objeto. Así, una reducción del tamaño de partícula original muy por debajo de la longitud de onda de la luz visible (~ 0,5 μm o 500 nm) elimina gran parte de la dispersión de la luz, dando como resultado un material translúcido o incluso transparente .
Además, los resultados indican que los poros microscópicos en los nanomateriales cerámicos sinterizados, principalmente atrapados en las uniones de los granos microcristalinos, hacen que la luz se disperse y evitan la transparencia real. Se ha observado que la fracción de volumen total de estos poros a escala nanométrica (tanto la porosidad intergranular como la intragranular) debe ser inferior al 1 % para una transmisión óptica de alta calidad, es decir, la densidad debe ser del 99,99 % de la densidad cristalina teórica. [13] [26]
Por ejemplo, la empresa Konoshima Chemical Co., en Japón, ha demostrado el funcionamiento de un láser Nd:YAG de 1,46 kW. Además, los investigadores de Livermore se dieron cuenta de que estos nanomateriales cerámicos de grano fino podrían resultar muy beneficiosos para los láseres de alta potencia utilizados en la Dirección de Programas de la Instalación Nacional de Ignición (NIF). En particular, un equipo de investigación de Livermore comenzó a adquirir nanomateriales transparentes avanzados de Konoshima para determinar si podían cumplir los requisitos ópticos necesarios para el láser de capacidad térmica de estado sólido (SSHCL) de Livermore. Los investigadores de Livermore también han estado probando aplicaciones de estos materiales para aplicaciones como controladores avanzados para plantas de energía de fusión impulsadas por láser. [27]
Con la ayuda de varios trabajadores del NIF, el equipo de Livermore ha producido muestras de 15 mm de diámetro de Nd:YAG transparente a partir de partículas y polvos a escala nanométrica, y ha determinado los parámetros más importantes que afectan a su calidad. En estos objetos, el equipo siguió en gran medida las metodologías de producción y procesamiento japonesas, y utilizó un horno interno para sinterizar al vacío los nanopolvos. Todas las muestras se enviaron luego para el prensado isostático en caliente (HIP). Finalmente, los componentes se devolvieron a Livermore para su recubrimiento y prueba, con resultados que indicaron una calidad y propiedades ópticas excepcionales. [27]
Un consorcio japonés/indio oriental se ha centrado específicamente en las características espectroscópicas y de emisión estimulada de Nd 3+ en nanomateriales YAG transparentes para aplicaciones láser. Sus materiales se sintetizaron utilizando técnicas de sinterización al vacío. Los estudios espectroscópicos sugieren una mejora general en la absorción y emisión y una reducción en la pérdida por dispersión. Las observaciones con microscopio electrónico de barrido y microscopio electrónico de transmisión revelaron una excelente calidad óptica con un bajo volumen de poro y un ancho de borde de grano estrecho. Las mediciones de fluorescencia y Raman revelan que el nanomaterial YAG dopado con Nd 3+ es comparable en calidad a su homólogo monocristalino tanto en sus propiedades radiativas como no radiativas. Los niveles de Stark individuales se obtienen a partir de los espectros de absorción y fluorescencia y se analizan para identificar los canales de emisión estimulada posibles en el material. Los estudios de rendimiento láser favorecen el uso de una alta concentración de dopante en el diseño de un láser de microchip eficiente. Con un 4% atómico de dopante, el grupo obtuvo una eficiencia de pendiente del 40%. Los experimentos con láser de alta potencia arrojan una eficiencia de conversión óptica a óptica del 30 % para el nanomaterial Nd (0,6 at%) YAG, en comparación con el 34 % para un monocristal Nd (0,6 at%) YAG. Las mediciones de ganancia óptica realizadas en estos materiales también muestran valores comparables a los de los monocristales, lo que respalda la afirmación de que estos materiales podrían ser sustitutos adecuados de los monocristales en aplicaciones de láser de estado sólido. [28]
El trabajo inicial en el desarrollo de nanomateriales transparentes de óxido de itrio fue realizado por General Electric en la década de 1960.
En 1966, el Dr. Richard C. Anderson inventó una cerámica transparente, el Yttralox , en el Laboratorio de Investigación de General Electric , y los Drs. Paul J. Jorgensen, Joseph H. Rosolowski y Douglas St. Pierre realizaron trabajos posteriores en el Laboratorio de Metalurgia y Cerámica de GE. El Yttralox es "transparente como el vidrio", tiene un punto de fusión dos veces más alto [12] y transmite frecuencias en la banda del infrarrojo cercano, así como la luz visible [29] .
En la década de 1970 , General Electric llevó a cabo un mayor desarrollo de los nanomateriales cerámicos de itrio en Schenectady y Cleveland, motivados por las aplicaciones de iluminación y láser cerámico. [ 29] Greskovich y Woods fabricaron Yttralox, óxido de itrio transparente Y2O3 que contiene aproximadamente un 10 % de óxido de torio (ThO2 ) . [30] El aditivo sirvió para controlar el crecimiento del grano durante la densificación, de modo que la porosidad permaneciera en los límites de los granos y no quedara atrapada dentro de los granos, donde sería bastante difícil eliminarla durante las etapas iniciales de la sinterización. Normalmente, a medida que las cerámicas policristalinas se densifican durante el tratamiento térmico, los granos crecen en tamaño mientras que la porosidad restante disminuye tanto en fracción de volumen como en tamaño. Las cerámicas ópticamente transparentes deben estar prácticamente libres de poros.
El Yttralox transparente de GE fue seguido por el itrio dopado con lantano de GTE con un nivel similar de aditivo. [31] Ambos materiales requirieron tiempos de cocción prolongados a temperaturas superiores a 2000 °C. El Y2O3 dopado con La2O3 es de interés para aplicaciones infrarrojas (IR) porque es uno de los óxidos que transmiten la longitud de onda más larga. Es refractario con un punto de fusión de 2430 °C y tiene un coeficiente de expansión térmica moderado. La resistencia al choque térmico y a la erosión se considera intermedia entre los óxidos, pero sobresaliente en comparación con los materiales que transmiten IR sin óxido. Una consideración importante es la baja emisividad del itrio, que limita la radiación de fondo al calentarse. También se sabe que el borde del fonón se mueve gradualmente a longitudes de onda más cortas a medida que se calienta un material. [32]
Además, el propio itrio, Y2O3 , ha sido claramente identificado como un material prometedor para láseres de estado sólido. En particular, los láseres con iterbio como dopante permiten un funcionamiento eficiente tanto en régimen de onda continua [33] como en régimen pulsado. [34]
Con una alta concentración de excitaciones (del orden del 1%) y un enfriamiento deficiente, se produce la extinción de la emisión a frecuencia láser y la emisión de banda ancha de avalancha. [35]
El equipo de Livermore también está explorando nuevas formas de sintetizar químicamente los nanopolvos iniciales. Aprovechando la experiencia desarrollada en CMS durante los últimos 5 años, el equipo está sintetizando nanopolvos basados en el procesamiento sol-gel y luego sinterizándolos en consecuencia para obtener los componentes del láser de estado sólido. Otra técnica que se está probando utiliza un proceso de combustión para generar los polvos quemando un sólido orgánico que contiene itrio, aluminio y neodimio. Luego se recoge el humo, que consiste en nanopartículas esféricas. [27]
El equipo de Livermore también está explorando nuevas técnicas de formación (por ejemplo, moldeo por extrusión) que tienen la capacidad de crear formas más diversas y posiblemente más complicadas. Estas incluyen carcasas y tubos para un mejor acoplamiento a la luz de bombeo y para una transferencia de calor más eficiente. Además, se pueden coextruir diferentes materiales y luego sinterizarlos en un sólido transparente monolítico. Se puede formar una placa amplificadora de modo que parte de la estructura actúe en la transmisión de ondas de luz guiadas para enfocar la luz de bombeo de los diodos láser en regiones con una alta concentración de iones dopantes cerca del centro de la placa. [27]
En general, los nanomateriales prometen ampliar enormemente la disponibilidad de componentes láser de alta gama y bajo costo en tamaños mucho mayores de lo que sería posible con cerámicas monocristalinas tradicionales. Muchas clases de diseños láser podrían beneficiarse de estructuras láser basadas en nanomateriales, como amplificadores con revestimientos de borde incorporados. Los nanomateriales también podrían proporcionar diseños más robustos y compactos para láseres de fusión de alta potencia de pico para la administración de arsenales, así como láseres de alta potencia promedio para sistemas de defensa de misiles ICBM de teatro global (por ejemplo, la Iniciativa de Defensa Estratégica SDI o, más recientemente, la Agencia de Defensa de Misiles). [27]
Un dispositivo de visión nocturna (NVD) es un instrumento óptico que permite producir imágenes en niveles de luz que se acercan a la oscuridad total. Los utilizan con mayor frecuencia los militares y las agencias de aplicación de la ley , pero están disponibles para usuarios civiles . Los dispositivos de visión nocturna se utilizaron por primera vez en la Segunda Guerra Mundial, [36] y se generalizaron durante la Guerra de Vietnam . La tecnología ha evolucionado mucho desde su introducción, lo que ha dado lugar a varias "generaciones" de equipos de visión nocturna con un rendimiento creciente y un precio decreciente. La Fuerza Aérea de los Estados Unidos está experimentando con gafas de visión nocturna panorámicas (PNVG) que duplican el campo de visión del usuario a aproximadamente 95 grados mediante el uso de cuatro tubos intensificadores de imagen de 16 mm, en lugar de los dos tubos de 18 mm más estándar. [37] [38]
Las imágenes térmicas son representaciones visuales de la cantidad de energía infrarroja (IR) emitida, transmitida y reflejada por un objeto. Debido a que existen múltiples fuentes de energía infrarroja, es difícil obtener una temperatura precisa de un objeto utilizando este método. Una cámara termográfica es capaz de ejecutar algoritmos para interpretar esos datos y construir una imagen. Aunque la imagen muestra al espectador una aproximación de la temperatura a la que está funcionando el objeto, la cámara utiliza múltiples fuentes de datos basadas en las áreas que rodean al objeto para determinar ese valor en lugar de detectar la temperatura.
Los dispositivos de visión nocturna por infrarrojos toman imágenes en el infrarrojo cercano, justo más allá del espectro visual, y pueden ver el infrarrojo cercano emitido o reflejado en completa oscuridad visual. Todos los objetos por encima de la temperatura del cero absoluto (0 K ) emiten radiación infrarroja . Por lo tanto, una excelente manera de medir las variaciones térmicas es utilizar un dispositivo de visión por infrarrojos , normalmente una cámara infrarroja de matriz de plano focal (FPA) capaz de detectar la radiación en las bandas infrarrojas de onda media (3 a 5 μm) y larga (7 a 14 μm), denominadas MWIR y LWIR, correspondientes a dos de las ventanas infrarrojas de alta transmitancia . Los perfiles de temperatura anormales en la superficie de un objeto son una indicación de un problema potencial. [39] La termografía infrarroja , la termografía y el vídeo térmico son ejemplos de la ciencia de la imagen infrarroja . Las cámaras termográficas detectan la radiación en el rango infrarrojo del espectro electromagnético (aproximadamente 900–14.000 nanómetros o 0,9–14 μm ) y producen imágenes de esa radiación, llamadas termogramas .
Dado que todos los objetos que se encuentran a temperatura ambiente emiten radiación infrarroja , según la ley de radiación del cuerpo negro , la termografía permite ver el entorno con o sin iluminación visible . La cantidad de radiación emitida por un objeto aumenta con la temperatura. Por lo tanto, la termografía permite ver las variaciones de temperatura. Cuando se observan a través de una cámara termográfica, los objetos cálidos se destacan bien contra fondos más fríos; los humanos y otros animales de sangre caliente se vuelven fácilmente visibles contra el entorno, de día o de noche. Como resultado, la termografía es particularmente útil para los militares y los servicios de seguridad .
En la termografía , la radiación infrarroja con longitudes de onda entre 8 y 13 micrómetros incide sobre el material del detector, lo calienta y, por lo tanto, cambia su resistencia eléctrica. Este cambio de resistencia se mide y se procesa en temperaturas que se pueden utilizar para crear una imagen. A diferencia de otros tipos de equipos de detección por infrarrojos, los microbolómetros que utilizan un detector de cerámica transparente no requieren refrigeración. Por lo tanto, un microbolómetro es esencialmente un sensor térmico no refrigerado. [40]
El material utilizado en el detector debe mostrar grandes cambios en la resistencia como resultado de cambios mínimos en la temperatura. A medida que el material se calienta, debido a la radiación infrarroja entrante, la resistencia del material disminuye. Esto está relacionado con el coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) del material, específicamente su coeficiente de temperatura negativo . La industria actualmente fabrica microbolómetros que contienen materiales con TCR cercanos al -2%. [41]
El material cerámico más comúnmente utilizado en microbolómetros de radiación IR es el óxido de vanadio. Las diversas formas cristalinas del óxido de vanadio incluyen tanto VO2 como V2O5 . La deposición a altas temperaturas y la realización de un recocido posterior permiten la producción de películas delgadas de estos compuestos cristalinos con propiedades superiores, que pueden integrarse fácilmente en el proceso de fabricación. El VO2 tiene baja resistencia pero sufre un cambio de fase metal-aislante cerca de los 67 °C y también tiene un valor TCR más bajo. Por otro lado, el V2O5 exhibe alta resistencia y también alto TCR. [40]
Otros materiales cerámicos transparentes al infrarrojo que se han investigado incluyen formas dopadas de CuO, MnO y SiO.
Muchos nanomateriales cerámicos de interés para soluciones de blindaje transparente también se utilizan para ventanas electromagnéticas (EM). Estas aplicaciones incluyen radomos, domos IR, protección de sensores y ventanas multiespectrales. Las propiedades ópticas de los materiales utilizados para estas aplicaciones son fundamentales, ya que la ventana de transmisión y los límites relacionados (UV – IR) controlan el ancho de banda espectral en el que la ventana es operativa. Estos materiales no solo deben poseer propiedades de resistencia a la abrasión y resistencia comunes en la mayoría de las aplicaciones de blindaje, sino que, debido a las temperaturas extremas asociadas con el entorno de los aviones militares y los misiles, también deben poseer una excelente estabilidad térmica. [24]
La radiación térmica es la radiación electromagnética emitida desde la superficie de un objeto que se debe a la temperatura del objeto . La localización por infrarrojos se refiere a un sistema pasivo de guía de misiles que utiliza la emisión de radiación electromagnética de un objetivo en la parte infrarroja del espectro para rastrearlo. Los misiles que utilizan la búsqueda por infrarrojos a menudo se denominan "buscadores de calor", ya que el infrarrojo está justo por debajo del espectro visible de la luz en frecuencia y es irradiado con fuerza por cuerpos calientes. Muchos objetos, como personas, motores de vehículos y aviones, generan y retienen calor y, como tales, son especialmente visibles en las longitudes de onda infrarrojas de la luz en comparación con los objetos en el fondo. [42] [43] [44] [45]
El material de elección actual para las cúpulas de misiles guiados por infrarrojos de alta velocidad es el zafiro monocristalino . La transmisión óptica del zafiro no se extiende hasta cubrir todo el rango de infrarrojo medio (3-5 μm), sino que comienza a disminuir en longitudes de onda mayores de aproximadamente 4,5 μm a temperatura ambiente. Si bien la resistencia del zafiro es mejor que la de otros materiales de cúpula de infrarrojos de rango medio disponibles a temperatura ambiente, se debilita por encima de ~600 °C. [46]
Las limitaciones de los zafiros de mayor superficie suelen estar relacionadas con el negocio, ya que se necesitan hornos de inducción más grandes y matrices de mecanizado costosas para superar los límites de fabricación actuales. Sin embargo, como industria, los productores de zafiro han seguido siendo competitivos frente al vidrio endurecido por recubrimiento y los nuevos nanomateriales cerámicos, y aún así han logrado ofrecer un alto rendimiento y un mercado ampliado. [24]
Los materiales alternativos, como el óxido de itrio , ofrecen un mejor rendimiento óptico, pero una durabilidad mecánica inferior. Los futuros misiles guiados por infrarrojos de alta velocidad requerirán nuevas cúpulas que sean sustancialmente más duraderas que las que se utilizan hoy en día, manteniendo al mismo tiempo la máxima transparencia en un amplio rango de longitudes de onda. Existe una disyuntiva de larga data entre el paso de banda óptico y la durabilidad mecánica dentro de la colección actual de materiales de transmisión infrarroja monofásica, lo que obliga a los diseñadores de misiles a comprometer el rendimiento del sistema. Los nanocompuestos ópticos pueden presentar la oportunidad de diseñar nuevos materiales que superen este compromiso tradicional.
Las primeras cúpulas de misiles a escala real de itria transparente fabricadas a partir de polvos cerámicos a escala nanométrica se desarrollaron en la década de 1980 con fondos de la Marina. Raytheon perfeccionó y caracterizó su itria policristalina sin dopar, mientras que GTE Labs desarrolló de manera similar la itria dopada con lantana. Las dos versiones tenían transmitancia de infrarrojos, tenacidad a la fractura y expansión térmica comparables, mientras que la versión sin dopar exhibió el doble de valor de conductividad térmica.
El renovado interés en las ventanas y cúpulas de itria ha impulsado los esfuerzos para mejorar las propiedades mecánicas mediante el uso de materiales a escala nanométrica con granos de tamaño submicrométrico o nanométrico. En un estudio, se seleccionaron tres proveedores para proporcionar polvos a escala nanométrica para pruebas y evaluación, y se compararon con un polvo de itria convencional (5 μm) utilizado anteriormente para preparar itria transparente. Si bien todos los nanopolvos evaluados tenían niveles de impurezas que eran demasiado altos para permitir el procesamiento hasta una transparencia total, 2 de ellos se procesaron hasta una densidad teórica y una transparencia moderada. Las muestras se sinterizaron hasta un estado de poro cerrado a temperaturas tan bajas como 1400 C. [47]
Después de un período de sinterización relativamente corto, el componente se coloca en una prensa isostática en caliente (HIP) y se procesa durante 3 a 10 horas a ~ 30 kpsi (~ 200 MPa) a una temperatura similar a la de la sinterización inicial. La presión isostática aplicada proporciona una fuerza impulsora adicional para la densificación al aumentar sustancialmente los coeficientes de difusión atómica, lo que promueve un flujo viscoso adicional en los límites de grano y en los poros intergranulares o cerca de ellos. Con este método, se produjeron nanomateriales de itria transparentes a temperaturas más bajas, tiempos de cocción totales más cortos y sin aditivos adicionales que tienden a reducir la conductividad térmica. [47]
Recientemente, Mouzon ha desarrollado un método más nuevo que se basa en los métodos de encapsulación de vidrio, combinados con sinterización al vacío a 1600 °C seguida de prensado isostático en caliente (HIP) a 1500 °C de un polvo comercial altamente aglomerado. El uso de cápsulas de vidrio evacuadas para realizar el tratamiento HIP permitió que las muestras que mostraban porosidad abierta después de la sinterización al vacío se sinterizaran hasta obtener transparencia. La respuesta de sinterización del polvo investigado se estudió mediante cuidadosas observaciones microestructurales utilizando microscopía electrónica de barrido y microscopía óptica tanto en reflexión como en transmisión. La clave de este método es mantener la porosidad intergranular durante la presinterización, de modo que pueda eliminarse posteriormente mediante el tratamiento HIP. Se descubrió que los aglomerados de partículas muy compactas son útiles para alcanzar ese propósito, ya que se densifican por completo y dejan solo porosidad intergranular. [48]
Antes del trabajo realizado en Raytheon, las propiedades ópticas de los materiales cerámicos nanocompuestos habían recibido poca atención. Sus estudios demostraron claramente por primera vez una transmisión casi teórica en cerámicas ópticas nanocompuestas. El sistema binario itrio/magnesia es un sistema modelo ideal para la formación de nanocompuestos. Existe una solubilidad sólida limitada en cualquiera de las fases constituyentes, lo que permite investigar y comparar entre sí una amplia gama de composiciones. Según el diagrama de fases, las mezclas bifásicas son estables para todas las temperaturas por debajo de ~ 2100 °C. Además, ni el itrio ni la magnesia muestran absorción alguna en la porción infrarroja de rango medio de 3 a 5 μm del espectro electromagnético.
En los nanocompuestos ópticos, dos o más fases interpenetrantes se mezclan en un cuerpo completamente denso de tamaño de grano submicrométrico. La dispersión de la luz infrarroja se puede minimizar (o incluso eliminar) en el material siempre que el tamaño de grano de las fases individuales sea significativamente menor que las longitudes de onda infrarrojas. Los datos experimentales sugieren que limitar el tamaño de grano del nanocompuesto a aproximadamente 1/15 de la longitud de onda de la luz es suficiente para limitar la dispersión.
Se han producido nanocompuestos de itria y magnesia con un tamaño de grano de aproximadamente 200 nm. Estos materiales han producido una buena transmisión en el rango de 3 a 5 μm y resistencias superiores a las de los componentes individuales de una sola fase. [49] [50] La mejora de las propiedades mecánicas en materiales cerámicos nanocompuestos se ha estudiado ampliamente. Se han observado aumentos significativos en la resistencia (2 a 5 veces), la tenacidad (1 a 4 veces) y la resistencia a la fluencia en sistemas que incluyen SiC/Al 2 O 3 , SiC/Si 3 N 4 , SiC/MgO y Al 2 O 3 /ZrO 2 . [51] [52] [53]
Los mecanismos de fortalecimiento observados varían según el sistema material y no parece haber un consenso general sobre los mecanismos de fortalecimiento, incluso dentro de un sistema determinado. En el sistema SiC/Al2O3 , por ejemplo, es ampliamente conocido y aceptado que la adición de partículas de SiC a la matriz de Al2O3 da como resultado un cambio en el mecanismo de falla de una fractura intergranular (entre granos) a una intragranular (dentro de los granos). Las explicaciones para la mejora de la resistencia incluyen:
En el sector militar, existe una creciente necesidad de materiales robustos y de alta resistencia que tengan la capacidad de transmitir luz en las regiones visible (0,4-0,7 micrómetros) e infrarroja media (1-5 micrómetros) del espectro. Estos materiales son necesarios para aplicaciones que requieren blindaje transparente. El blindaje transparente es un material o sistema de materiales diseñado para ser ópticamente transparente, pero que proteja de la fragmentación o de los impactos balísticos. El requisito principal para un sistema de blindaje transparente es no solo derrotar a la amenaza designada, sino también proporcionar una capacidad de impacto múltiple con una distorsión mínima de las áreas circundantes. Las ventanas de blindaje transparente también deben ser compatibles con el equipo de visión nocturna. Se están buscando nuevos materiales que sean más delgados, livianos y que ofrezcan un mejor rendimiento balístico. [55] [56]
Los sistemas de blindaje transparente existentes suelen tener muchas capas, separadas por capas intermedias de polímero (por ejemplo, policarbonato ). La capa intermedia de polímero se utiliza para mitigar las tensiones de los desajustes de expansión térmica, así como para detener la propagación de grietas de la cerámica al polímero. El policarbonato también se utiliza actualmente en aplicaciones como viseras, protectores faciales y gafas de protección láser. La búsqueda de materiales más ligeros también ha llevado a investigaciones sobre otros materiales poliméricos como nailon transparente, poliuretano y acrílicos. Las propiedades ópticas y la durabilidad de los plásticos transparentes limitan su uso en aplicaciones de blindaje. Las investigaciones realizadas en la década de 1970 habían demostrado ser prometedoras para el uso del poliuretano como material de blindaje, pero las propiedades ópticas no eran adecuadas para aplicaciones de blindaje transparente. [23]
En los blindajes transparentes se utilizan diversos vidrios, como el vidrio plano normal (sódico-cálcico-sílice), los vidrios de borosilicato y el sílice fundido . El vidrio plano ha sido el vidrio más utilizado debido a su bajo coste, pero los mayores requisitos de propiedades ópticas y rendimiento balístico han generado la necesidad de nuevos materiales. Los tratamientos químicos o térmicos pueden aumentar la resistencia de los vidrios, y la cristalización controlada de ciertos sistemas de vidrio puede producir vitrocerámicas transparentes. Alstom Grid Research & Technology (Stafford, Reino Unido), produjo una vitrocerámica a base de disilicato de litio conocida como TransArm, para su uso en sistemas de blindaje transparente con producción continua que produce piezas del tamaño de un parabrisas de vehículo (y más grandes). Las ventajas inherentes de los vidrios y las vitrocerámicas incluyen un coste menor que la mayoría de los demás materiales cerámicos, la capacidad de producirse en formas curvas y la capacidad de formarse en láminas grandes. [57]
Las cerámicas cristalinas transparentes se utilizan para derrotar a las amenazas avanzadas. Actualmente existen tres candidatos transparentes principales: oxinitruro de aluminio (AlON), espinela de aluminato de magnesio ( espinela ) y óxido de aluminio monocristalino ( zafiro ).
La espinela de oxinitruro de aluminio (Al 23 O 27 N 5 ), abreviada como AlON, es uno de los principales candidatos para la armadura transparente. Es producida por Surmet Corporation bajo la marca comercial ALON. La incorporación de nitrógeno en el óxido de aluminio estabiliza una fase de espinela cristalina, que debido a su estructura cristalina cúbica y celda unitaria, es un material isotrópico que se puede producir como nanomaterial cerámico transparente. Por lo tanto, se pueden producir nanomateriales policristalinos de grano fino y formar geometrías complejas utilizando técnicas de formación de cerámica convencionales, como prensado isostático en caliente y colada en barbotina . [23]
Surmet Corporation ha adquirido el negocio ALON de Raytheon y actualmente está creando un mercado para esta tecnología en el área de blindaje transparente, ventanas de sensores, ventanas de reconocimiento y óptica IR como lentes y domos y como una alternativa al cuarzo y al zafiro en el mercado de semiconductores. El blindaje transparente basado en AlON ha sido probado para detener amenazas de impacto múltiple, incluidas balas de 30calAPM2 y de 50calAPM2 con éxito. La alta dureza del AlON proporciona una resistencia a los rayones que supera incluso a los recubrimientos más duraderos para ventanas de escáner de vidrio, como las que se usan en los supermercados. Surmet ha producido con éxito una ventana curva de AlON de 15" x 18" y actualmente está intentando ampliar la tecnología y reducir el costo. Además, tanto el Ejército como la Fuerza Aérea de los EE. UU. están buscando desarrollar aplicaciones de próxima generación. [23] [58] [59]
La espinela de aluminato de magnesio (MgAl2O4 ) es una cerámica transparente con una estructura cristalina cúbica con una excelente transmisión óptica de 0,2 a 5,5 micrómetros en su forma policristalina. La espinela transparente de calidad óptica se ha producido mediante operaciones de sinterización/HIP, prensado en caliente y prensado en caliente/HIP, y se ha demostrado que el uso de una prensa isostática en caliente puede mejorar sus propiedades ópticas y físicas. [23] [60]
La espinela ofrece algunas ventajas de procesamiento sobre el AlON, como el hecho de que el polvo de espinela está disponible a través de fabricantes comerciales, mientras que los polvos de AlON son propiedad de Raytheon. También se puede procesar a temperaturas mucho más bajas que el AlON y se ha demostrado que posee propiedades ópticas superiores dentro de la región infrarroja (IR). Las características ópticas mejoradas hacen que la espinela sea atractiva en aplicaciones de sensores donde la comunicación efectiva se ve afectada por las características de absorción de la cúpula protectora del misil. [23] [61] [62]
La espinela es prometedora para muchas aplicaciones, pero actualmente no está disponible en grandes cantidades por ningún fabricante, aunque se están realizando esfuerzos para comercializarla. El negocio de los productos de espinela está en manos de dos importantes fabricantes estadounidenses: "Technology Assessment and Transfer" y "Surmet Corporation".
Una revisión exhaustiva de la literatura realizada por el NRL ha indicado claramente que los intentos de fabricar espinela de alta calidad han fracasado hasta la fecha debido a que la dinámica de densificación de la espinela es poco conocida. Han llevado a cabo una investigación exhaustiva sobre la dinámica involucrada durante la densificación de la espinela. Su investigación ha demostrado que el LiF, aunque necesario, también tiene efectos extremadamente adversos durante las etapas finales de la densificación. Además, su distribución en los polvos precursores de espinela es de importancia crítica.
Los procesos tradicionales de mezcla a granel utilizados para mezclar el coadyuvante de sinterización de LiF en un polvo dejan una distribución bastante heterogénea de Lif que debe homogeneizarse mediante tiempos de tratamiento térmico prolongados a temperaturas elevadas. La temperatura de homogeneización para Lif/espinela se produce a la temperatura de reacción rápida entre el LiF y el Al 2 O 3 . Para evitar esta reacción perjudicial, han desarrollado un nuevo proceso que recubre uniformemente las partículas de espinela con el coadyuvante de sinterización. Esto les permite reducir la cantidad de Lif necesaria para la densificación y calentar rápidamente hasta la temperatura de máxima reactividad. Estos avances han permitido a NRL fabricar espinela de MgAl 2 O 4 con una alta transparencia y una reproducibilidad extremadamente alta que debería permitir el uso militar y comercial de la espinela. [63]
El óxido de aluminio monocristalino ( zafiro – Al2O3 ) es una cerámica transparente. La estructura cristalina del zafiro es romboédrica y, por lo tanto, sus propiedades son anisotrópicas y varían con la orientación cristalográfica. La alúmina transparente es actualmente una de las cerámicas transparentes más maduras desde una perspectiva de producción y aplicación, y está disponible de varios fabricantes. Pero el costo es alto debido a la temperatura de procesamiento involucrada, así como a los costos de mecanizado para cortar piezas de bolas de un solo cristal. También tiene una resistencia mecánica muy alta, pero eso depende del acabado de la superficie. [23]
El alto nivel de madurez del zafiro desde el punto de vista de producción y aplicación se puede atribuir a dos áreas de negocio: ventanas de espectro electromagnético para misiles y domos, e industrias y aplicaciones electrónicas/de semiconductores.
Existen programas actuales para ampliar el zafiro cultivado mediante el método de intercambiador de calor o procesos de crecimiento alimentado con película de borde definido (EFG). Su madurez se debe a su uso como ventanas y en la industria de semiconductores. Crystal Systems Inc., que utiliza técnicas de crecimiento de monocristal , está ampliando actualmente sus bolas de zafiro a un diámetro de 13 pulgadas (330 mm) y más. [ cita requerida ] Otro productor, el Grupo Saint-Gobain, produce zafiro transparente utilizando una técnica de crecimiento de borde definido. El zafiro cultivado mediante esta técnica produce un material ópticamente inferior al que se cultiva mediante técnicas de monocristal, pero es mucho menos costoso y conserva gran parte de las características de dureza, transmisión y resistencia a los arañazos. Saint-Gobain es actualmente capaz de producir zafiro de 0,43" de espesor (tal como se cultiva), en láminas de 12" × 18,5", así como láminas gruesas de una sola curva. [23] El Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. está investigando actualmente el uso de este material en un diseño laminado para sistemas de blindaje transparente. El Grupo Saint Gobain ha comercializado la capacidad para cumplir con los requisitos de vuelo en los aviones de combate de próxima generación F-35 Joint Strike Fighter y F-22 Raptor. [24]
Los futuros misiles guiados por infrarrojos de alta velocidad requerirán nuevos materiales para la cúpula que sean sustancialmente más duraderos que los que se utilizan hoy en día, manteniendo al mismo tiempo la máxima transparencia en todo el espectro operativo o ancho de banda. Existe un compromiso de larga data entre el paso de banda óptico y la durabilidad mecánica dentro del grupo actual de materiales cerámicos monofásicos (cristalinos o vítreos) que transmiten infrarrojos, lo que obliga a los diseñadores de misiles a aceptar un rendimiento general del sistema inferior a los estándares. Los nanocompuestos ópticos pueden brindar la oportunidad de diseñar nuevos materiales que puedan superar estas limitaciones tradicionales. [24]
Por ejemplo, se ha formado una armadura de cerámica transparente que consiste en un compuesto ligero utilizando una placa frontal de alúmina transparente Al2O3 ( o magnesia MgO) con una placa de respaldo de plástico transparente. Las dos placas (unidas entre sí con un adhesivo transparente) proporcionan una protección balística completa contra proyectiles M2 de calibre 0,30 AP a una oblicuidad de 0° con una velocidad inicial de 2770 pies (840 m) por segundo. [ 64] Otra armadura de compuesto transparente proporcionó protección completa para proyectiles de armas pequeñas hasta proyectiles M2 de calibre .50 AP inclusive que consistían en dos o más capas de material cerámico transparente. [65] [66]
Se han producido nanocompuestos de itria y magnesia con un tamaño de grano promedio de ~200 nm. Estos materiales han mostrado una transmisión cercana a la teórica en la banda IR de 3 a 5 μm. Además, estos compuestos han producido resistencias más altas que las observadas para componentes monofásicos de estado sólido. A pesar de la falta de acuerdo sobre el mecanismo de falla, se acepta ampliamente que los materiales cerámicos nanocompuestos pueden ofrecer y ofrecen propiedades mecánicas mejoradas en comparación con los materiales monofásicos o los nanomateriales de composición química uniforme. [49]
Los materiales cerámicos nanocompuestos también ofrecen propiedades mecánicas interesantes que no se pueden conseguir con otros materiales, como el flujo superplástico y la maquinabilidad similar a la del metal. Se prevé que un mayor desarrollo dará como resultado nanomateriales de alta resistencia y alta transparencia que sean adecuados para su aplicación como armadura de próxima generación. [23]
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