Un cermet es un material compuesto formado por materiales cerámicos y metálicos .
Un cermet puede combinar propiedades atractivas tanto de una cerámica, como la resistencia a altas temperaturas y la dureza, como las de un metal, como la capacidad de sufrir deformación plástica . El metal se utiliza como aglutinante para un óxido , boruro o carburo . Generalmente, los elementos metálicos utilizados son níquel , molibdeno y cobalto . Dependiendo de la estructura física del material, los cermets también pueden ser compuestos de matriz metálica , pero los cermets suelen tener menos del 20 % de metal en volumen.
Los cermet se utilizan en la fabricación de resistencias (especialmente potenciómetros ), condensadores y otros componentes electrónicos que pueden experimentar altas temperaturas.
Los cermets se utilizan en lugar de carburo de tungsteno en sierras y otras herramientas soldadas por sus propiedades superiores de resistencia al desgaste y a la corrosión. El nitruro de titanio (TiN), el carbonitruro de titanio (TiCN), el carburo de titanio (TiC) y similares se pueden soldar como el carburo de tungsteno si se preparan adecuadamente, sin embargo, requieren un manejo especial durante el esmerilado.
Los compuestos de fases MAX , una clase emergente de carburos o nitruros ternarios con aleaciones de aluminio o titanio, se han estudiado desde 2006 como materiales de alto valor que presentan propiedades favorables de la cerámica en términos de dureza y resistencia a la compresión junto con la ductilidad y la tenacidad a la fractura típicamente asociadas con los metales. Dichos materiales cermet, incluidos los compuestos de fase MAX-aluminio, [1] tienen aplicaciones potenciales en aplicaciones automotrices y aeroespaciales. [2] [1]
También se están considerando algunos tipos de cermets para su uso como blindaje de naves espaciales, ya que resisten los impactos de alta velocidad de micrometeoroides y desechos orbitales de manera mucho más efectiva que los materiales más tradicionales para naves espaciales, como el aluminio y otros metales.
Fuente: [3]
Después de la Segunda Guerra Mundial , se hizo evidente la necesidad de desarrollar materiales resistentes a altas temperaturas y altas tensiones. Durante la guerra, los científicos alemanes desarrollaron cermets a base de óxido como sustitutos de las aleaciones. Vieron un uso para esto para las secciones de alta temperatura de los nuevos motores a reacción, así como para las palas de turbinas de alta temperatura. Hoy en día, la cerámica se implementa rutinariamente en la parte de combustión de los motores a reacción porque proporciona una cámara resistente al calor. También se han desarrollado palas de turbina de cerámica. Estas palas son más ligeras (menos masivas) que el acero y permiten una mayor aceleración rotacional ("tiempo de arranque") de los conjuntos de palas.
La Fuerza Aérea de los Estados Unidos vio potencial en la tecnología de materiales y se convirtió en uno de los principales patrocinadores de varios programas de investigación en Estados Unidos. Algunas de las primeras universidades en investigar fueron la Universidad Estatal de Ohio , la Universidad de Illinois y la Universidad Rutgers .
La palabra cermet fue acuñada por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos , con la idea de que son una combinación de dos materiales, un metal y una cerámica . Las propiedades físicas básicas de los metales incluyen ductilidad , alta resistencia y alta conductividad térmica . Las cerámicas poseen propiedades físicas básicas como un alto punto de fusión , estabilidad química y, especialmente, resistencia a la oxidación .
El primer material metálico cerámico desarrollado utilizó óxido de magnesio (MgO), óxido de berilio (BeO) y óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) para la pieza cerámica. El énfasis en las altas resistencias a la ruptura por tensión estaba alrededor de los 980 °C. [4] La Universidad Estatal de Ohio fue la primera en desarrollar cermets basados en Al 2 O 3 con altas resistencias a la ruptura por tensión alrededor de los 1200 °C. Kennametal , una empresa de metalistería y herramientas con sede en Latrobe, PA , EE. UU., desarrolló el primer cermet de carburo de titanio con 19 megapascales (2800 psi) y una resistencia a la ruptura por tensión de 100 horas a 980 °C. Los motores a reacción funcionan a esta temperatura y se invirtió más investigación en el uso de estos materiales para componentes.
El control de calidad en la fabricación de estos compuestos cerámicos y metálicos era difícil de estandarizar. La producción debía limitarse a lotes pequeños y, dentro de estos lotes, las propiedades variaban enormemente. Los fallos del material solían ser el resultado de defectos no detectados que normalmente se originaban durante el procesamiento.
La tecnología existente en la década de 1950 llegó a un límite para los motores a reacción, en el que no se podía mejorar mucho más. Posteriormente, los fabricantes de motores se mostraron reacios a desarrollar motores de metal cerámico. El interés se renovó en la década de 1960, cuando se estudió más de cerca el nitruro de silicio y el carburo de silicio. Ambos materiales poseían mejor resistencia al choque térmico, alta resistencia y conductividad térmica moderada.
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Los cermets se utilizaron por primera vez ampliamente en aplicaciones de unión de cerámica y metal. La construcción de tubos de vacío fue uno de los primeros sistemas críticos, y la industria electrónica empleó y desarrolló este tipo de sellos. Los científicos alemanes reconocieron que se podían producir tubos de vacío con un rendimiento y una fiabilidad mejorados sustituyendo la cerámica por el vidrio. Los tubos de cerámica pueden desgasificarse a temperaturas más altas. Debido al sello de alta temperatura, los tubos de cerámica resisten temperaturas más altas que los de vidrio. Los tubos de cerámica también son mecánicamente más fuertes y menos sensibles al choque térmico que los de vidrio. [6] Hoy en día, los revestimientos de tubos de vacío de cermet han demostrado ser clave para los sistemas de agua caliente solar.
También se han utilizado sellos mecánicos de cerámica a metal . Tradicionalmente, se han utilizado en celdas de combustible y otros dispositivos que convierten energía química, nuclear o termoiónica en electricidad. El sello de cerámica a metal es necesario para aislar las secciones eléctricas de los generadores accionados por turbina diseñados para funcionar en vapores corrosivos de metal líquido. [6]
Las biocerámicas desempeñan un papel importante en los materiales biomédicos. El desarrollo de estos materiales y la diversidad de técnicas de fabricación han ampliado las aplicaciones que se pueden utilizar en el cuerpo humano. Pueden presentarse en forma de capas delgadas sobre implantes metálicos, compuestos con un componente polimérico o incluso simplemente redes porosas. Estos materiales funcionan bien dentro del cuerpo humano por varias razones. Son inertes y, debido a que son reabsorbibles y activos, los materiales pueden permanecer en el cuerpo sin cambios. También pueden disolverse y participar activamente en procesos fisiológicos, por ejemplo, cuando la hidroxiapatita , un material químicamente similar a la estructura ósea, puede integrarse y ayudar al crecimiento del hueso en ella. Los materiales comunes utilizados para las biocerámicas incluyen alúmina, zirconia, fosfato de calcio, vitrocerámica y carbones pirolíticos.
Un uso importante de la biocerámica es en la cirugía de reemplazo de cadera . Los materiales utilizados para las articulaciones de cadera de reemplazo eran generalmente metales como el titanio , con la cavidad de la cadera generalmente revestida con plástico. La bola multiaxial era una bola de metal resistente, pero finalmente se reemplazó por una bola de cerámica más duradera. Esto redujo la rugosidad asociada con la pared de metal contra el revestimiento de plástico de la cavidad de la cadera artificial. El uso de implantes de cerámica extendió la vida útil de las piezas de reemplazo de cadera. [7]
Los cermets dentales también se utilizan en odontología como material para empastes y prótesis.
Las piezas de cerámica se han utilizado junto con piezas metálicas como materiales de fricción para frenos y embragues . [6]
Los cermet se utilizan como elementos calefactores en calentadores de resistencia eléctrica . Una técnica de construcción comienza con el material cermet formulado como una tinta que se imprime sobre un sustrato y luego se cura con calor. Esta técnica permite la fabricación de formas complejas de elementos calefactores. Algunos ejemplos de aplicaciones para los elementos calefactores cermet incluyen calentadores de termostato, fuentes de calor para la esterilización de botellas, calentadores de jarras de café, calentadores para el control de hornos y calentadores de fusores de impresoras láser. [8]
El ejército de los Estados Unidos y el ejército británico han realizado investigaciones exhaustivas en el desarrollo de cermets. Estas incluyen el desarrollo de armaduras ligeras de cerámica a prueba de proyectiles para soldados y también la armadura Chobham .
Los cermets también se utilizan en el mecanizado de herramientas de corte .
Los cermets también se utilizan como material de anillo en guías de línea de alta calidad para cañas de pescar.
Se ha investigado el uso de cermet de material fisionable empobrecido (por ejemplo, uranio , plutonio ) y sodalita en el almacenamiento de residuos nucleares. [9] También se han investigado compuestos similares para su uso como combustible para reactores nucleares [10] y cohetes térmicos nucleares . [ cita requerida ]
Este material, que es un cermet nanoestructurado, se utiliza en el campo óptico, como absorbente solar o superficie selectiva . Gracias al tamaño de las partículas (~5 nm), se generan plasmones superficiales en las partículas metálicas que permiten la transmisión de calor.
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