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 estar formadas por cualquier material cerámico, incluido el carbono y las fibras de carbono .
La motivación para desarrollar las 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 zirconio : se fracturan fácilmente bajo cargas mecánicas o termomecánicas debido a grietas iniciadas por pequeños defectos o rasguños. La resistencia a las grietas es muy baja, como en el vidrio .
Para aumentar la resistencia a las grietas o la tenacidad a la fractura , se incorporaron partículas (las llamadas plaquetas o bigotes monocristalinos ) en la matriz. Sin embargo, la mejora fue limitada y esos productos encontraron aplicación solo en algunas herramientas de corte de cerámica.
La integración de fibras largas de múltiples hilos ha aumentado drásticamente la resistencia a las grietas, la elongación 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 material combinado, al tiempo que se aprovechan la alta resistencia inherente y el módulo de Young de la matriz cerámica.
La forma de realización de refuerzo más común es una fibra cerámica de longitud continua, con un módulo elástico que es típicamente algo menor que el de la matriz. El papel funcional de esta fibra es (1) aumentar la tensión de la CMC para el avance de las microfisuras a través de la matriz, aumentando así la energía gastada durante la propagación de la fisura; y luego (2) cuando las grietas a través del espesor comienzan a formarse a través de la CMC a una tensión más alta (tensión límite proporcional, PLS), unir estas grietas sin fracturarse, proporcionando así a la CMC una alta resistencia a la tracción máxima (UTS). De esta manera, los refuerzos de fibra cerámica no solo aumentan la resistencia inicial de la estructura compuesta a la propagación de la fisura, sino que también permiten que la CMC evite la falla frágil abrupta 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 normalmente se fracturan antes que la matriz debido a las mayores capacidades de resistencia a la deformación por falla de estas matrices.
Las fibras de carbono (C), carburo de silicio especial (SiC), alúmina (Al2O3 ) y mullita ( Al2O3 - SiO2 ) son las más utilizadas 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 del grano pueden dar como resultado una microestructura que exhibe granos grandes alargados en una matriz de granos redondeados más finos. Las microestructuras derivadas de AGG exhiben endurecimiento debido al puenteo de grietas y la deflexión de grietas por 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 denominadas Compuestos de matriz cerámica de temperatura ultraalta (UHTCMC) o Compuestos cerámicos de temperatura ultraalta (UHTCC). [1] [2] [3] [4] [5]
En general, 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 a continuación) se abrevia como LPI-C/SiC .
Los CMC más 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 en las siguientes propiedades, que se presentan con más detalle a continuación:
Los procesos de fabricación suelen constar de los tres pasos siguientes:
El primer y el último paso son casi iguales para todos los CMC: en el primer paso, las fibras, a menudo llamadas mechas, se disponen y fijan mediante técnicas utilizadas en materiales plásticos reforzados con fibras, como el laminado de tejidos , el bobinado de filamentos, el trenzado y el anudado . El resultado de este procedimiento se denomina preforma de fibra 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 se utilizan con CMC no oxidadas, mientras que el cuarto se utiliza para CMC oxidadas; también se practican combinaciones de estos procedimientos. El quinto procedimiento aún no se ha establecido en los procesos industriales. Todos los procedimientos tienen subvariantes que difieren 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 pueden procesarse con chorro de agua , láser o mecanizado ultrasónico .
Las fibras cerámicas en las CMC pueden tener una estructura policristalina , como en las cerámicas convencionales. También pueden ser amorfas o tener una composición química no homogénea , que se desarrolla tras la pirólisis de precursores orgánicos . Las altas temperaturas de proceso requeridas para fabricar las CMC impiden el uso de fibras orgánicas, metálicas o de vidrio . Solo se pueden utilizar fibras estables a temperaturas superiores a 1000 °C (1800 °F), como fibras de alúmina, mullita, SiC, zirconia o carbono. Las fibras de SiC amorfas tienen una capacidad de alargamiento superior al 2%, mucho mayor que en 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 varias disposiciones de fibras tridimensionales (véase el ejemplo en la figura) en la fabricación textil , donde un radio de curvatura pequeño es esencial. [7]
La deposición química en fase 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 en fase de vapor (CVI). Un ejemplo es la fabricación de compuestos C/C: una preforma de fibra de C se expone a una mezcla de argón y un gas de hidrocarburo ( metano , propano , etc.) a una presión de alrededor o por debajo de 100 kPa 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 lleva a cabo a partir de una mezcla de hidrógeno y metil -triclorosilano (MTS, CH3SiCl3 ; también es común en la producción de silicona ). Bajo 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 alrededor del 10 al 15%, ya que el acceso de los reactivos al interior de la preforma está cada vez más bloqueado 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 puede cambiarse a una estructura más parecida al grafito . Otros polímeros especiales, conocidos como polímeros precerámicos en los que algunos átomos de carbono se reemplazan por átomos de silicio, los llamados policarbo silanos , producen carburo de silicio amorfo de composición más o menos estequiométrica . Ya existe una gran variedad de tales 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 que no es deseable para la mayoría de las aplicaciones. Se realizan ciclos adicionales de infiltración y pirólisis de polímero hasta que se logra la calidad final y deseada. Por lo general, son necesarios de cinco a ocho ciclos. [11] [12] [13]
El proceso se denomina infiltración de polímero líquido (LPI) o infiltración y pirólisis de polímero (PIP). También en este caso es habitual una porosidad de alrededor del 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 a través de 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 es superior a 1.414 °C (2.577 °F), es decir, superior al punto de fusión del silicio, y las condiciones del proceso se controlan de forma que las fibras de carbono de la preforma de C/C conserven casi por completo sus propiedades mecánicas. Este proceso se denomina infiltración de silicio líquido (LSI). A veces, y debido a 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 alrededor del 3%.
Este proceso se utiliza para fabricar materiales CMC de matriz de óxido/fibra 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, los procesos de formación de cerámica, a temperaturas de 1000–1200 °C. Se basan, por ejemplo, en mezclas de polvo de alúmina con los líquidos tetra-etil-orto silicato (como donante de Si) y aluminio- butilato (como donante de Al), que producen 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 alrededor del 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 en este caso se debe esperar que quede algo de porosidad.
La alta tenacidad a la fractura o resistencia a las grietas 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 las CMC, las fibras incrustadas forman puentes sobre estas grietas (ver imagen). Este mecanismo funciona solo cuando la matriz puede deslizarse a lo largo de las fibras, lo que significa que debe haber un enlace débil entre las fibras y la matriz. Un enlace fuerte requeriría una capacidad de alargamiento muy alta de la fibra que forma un puente sobre la grieta y daría como resultado una fractura frágil, como ocurre con las cerámicas convencionales. La producción de material CMC con alta resistencia a las grietas requiere un paso para debilitar este enlace entre las fibras y la matriz. Esto se logra depositando una capa delgada de carbono pirolítico o nitruro de boro sobre las fibras, lo que debilita el enlace en la interfaz fibra/matriz, lo que lleva a la extracción de la fibra en las superficies de la grieta, 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 las propiedades mecánicas. Las mediciones de la resistencia a la fisuración se realizaron con muestras entalladas (ver figura) en los llamados ensayos de entalla de un solo borde y flexión (SENB). En mecánica de fracturas , los datos medidos (fuerza, geometría y superficie de la fisuración) se normalizan para producir el llamado factor de intensidad de tensión (SIF), K Ic . Debido a la compleja superficie de la fisuración (ver figura en la parte superior de este artículo), no se puede determinar el área real de la superficie de la fisuración para los materiales CMC. Por lo tanto, las mediciones utilizan la entalla inicial como superficie de la fisuración, lo que produce el SIF formal que se muestra en la figura. Esto requiere una geometría idéntica para comparar diferentes muestras. El área bajo estas curvas proporciona una indicación relativa de la energía necesaria para impulsar la punta de la fisuración a través de la muestra (la fuerza por la longitud del recorrido da la energía). Los máximos indican el nivel de carga necesario para propagar la fisuración 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 el óxido CMC y SiSiC se han obtenido de las hojas de datos de los fabricantes. La resistencia a la tracción de SiSiC y Al2O3 se calculó a partir de mediciones de elongación hasta la fractura y del módulo de Young , ya que generalmente solo se dispone de datos de resistencia a la flexión para esas cerámicas. En la tabla se dan valores promedio y es posible que existan diferencias significativas, incluso dentro de una misma ruta de fabricación.
Los ensayos de tracción de las CMC suelen mostrar curvas de tensión-deformación no lineales, que dan la impresión de que el material se deforma plásticamente. Se denomina cuasiplástico , porque el efecto es causado por las microfisuras, que se forman y se cierran con el aumento de la carga. Dado que el módulo de Young de las fibras que soportan la carga es generalmente inferior al de la matriz, la pendiente de la curva disminuye con el aumento de la carga.
Las curvas de las pruebas de flexión se parecen 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 criterio de calidad principal para los CMC es el comportamiento de resistencia al agrietamiento o tenacidad a la fractura.
Aunque los CMC pueden funcionar a temperaturas muy altas, la deformación por fluencia todavía ocurre alrededor de los 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 tasa de deformación más baja soporta la carga y es susceptible a la fluencia.
Las tres etapas principales de fluencia están regidas 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 regida por la fluencia de la fibra, donde la falla ocurre debido a la fractura de la fibra, o fluencia de la matriz, que conduce al agrietamiento de la matriz. Por lo general, la resistencia de la matriz a la fluencia 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 las densidades de defectos conducen a una mayor deformación por fluencia y una falla más temprana.
Se puede aplicar una regla de mezclas para encontrar la tasa de deformación del compuesto dadas las tasas 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 constituyente 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 de fluencia y es la fracción del área de la sección transversal constituyente.
En muchos componentes de CMC, las fibras están dispuestas como tejidos lisos o satinados apilados en dos dimensiones (2D) . Por lo tanto, el material resultante es anisotrópico o, más específicamente, ortotrópico . Las fibras no pueden salvar las grietas entre las capas. 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 fibra tridimensionales pueden mejorar esta situación (ver la micrografía anterior).
Las resistencias a la compresión mostradas en la tabla son inferiores a las de las cerámicas convencionales, donde son comunes valores superiores a 2000 MPa; esto es resultado de la porosidad.
La estructura compuesta permite altas cargas dinámicas. En los llamados ensayos 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, menor será la vida útil y menor el número de ciclos hasta la rotura. Con una carga inicial del 80% de la resistencia, una muestra de SiC/SiC sobrevivió aproximadamente 8 millones de ciclos (ver figura).
El coeficiente de Poisson muestra una anomalía cuando se mide perpendicularmente 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 componentes, es decir, fibras, matriz y poros, así como de su composición. La orientación de las fibras proporciona datos anisotrópicos. Los 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 tensión. La matriz de carburo de silicio es un buen conductor térmico. Eléctricamente, es un semiconductor y, por tanto, su resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. En comparación con el SiC (poli)cristalino, las fibras de SiC amorfo son relativamente malos conductores de calor y electricidad.
Comentarios de 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 conductividad térmica más alta debido a su baja porosidad, una ventaja cuando se lo utiliza 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 a la tensión térmica debido a su elevado módulo de Young y a su baja capacidad de elongación. Las diferencias de temperatura y la baja conductividad térmica crean elongaciones localmente diferentes, que junto con el elevado módulo de Young generan una elevada tensión. Esto da lugar a grietas, roturas y fallos frágiles. En las CMC, las fibras cubren las grietas y los componentes no muestran daños macroscópicos, incluso si la matriz se ha agrietado localmente. La aplicación de las CMC en los 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 los CMC son escasos, excepto en el caso de la oxidación a temperaturas superiores a los 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 es crucial 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 con frecuencia como coadyuvantes de sinterización son puntos de partida del ataque corrosivo. [24] [25]
La alúmina pura muestra una excelente resistencia a la corrosión frente a la mayoría de los productos químicos. Las fases de sílice y vidrio amorfo en los límites de grano determinan la velocidad de corrosión en ácidos y bases concentrados y dan lugar a fluencia a altas temperaturas. Estas características limitan el uso de la alúmina. Para metales fundidos, la alúmina se utiliza únicamente con oro y platino.
Estas fibras presentan 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, solo existen unas pocas aplicaciones para las CMC de óxido.
La corrosión más importante del carbono se produce en presencia de oxígeno por encima de unos 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 metales fundidos, se disuelve y forma carburos metálicos . Las fibras de carbono no difieren del carbono en su comportamiento de corrosión.
El carburo de silicio puro es uno de los materiales más resistentes a la corrosión. Solo las bases fuertes, el oxígeno por encima de unos 800 °C (1.470 °F) y los metales fundidos reaccionan con él para formar carburos y siliciuros . La reacción con el oxígeno forma SiO 2 y CO 2 , por lo que una capa superficial de SiO 2 ralentiza la oxidación posterior ( oxidación pasiva ). Las temperaturas superiores a unos 1.600 °C (2.910 °F) y una baja presión parcial de oxígeno dan lugar a la denominada 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 se produce de otro modo que no sea mediante CVI, la resistencia a la corrosión no es tan buena. Esto es una 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 lo 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, la fragilidad y la baja tenacidad a la fractura, y la limitada resistencia 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] Entre ellas se incluyen:
Además de lo anterior, los CMC se pueden utilizar en aplicaciones que emplean cerámicas convencionales o en las que los componentes metálicos tienen vidas útiles limitadas debido a la corrosión o las altas temperaturas.
Durante la fase de reentrada de los vehículos espaciales, el sistema de protección térmica se expone a temperaturas superiores a los 1.500 °C (2.730 °F) durante unos minutos. Sólo los materiales cerámicos pueden sobrevivir a esas condiciones sin sufrir daños importantes y, entre ellos, 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 1.250 °C (2.280 °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 la década de 1980 y abandonado por razones financieras en 1992, ha producido los primeros resultados. Varios programas de seguimiento se centraron en el desarrollo, la fabricación y la calificación de la tapa del morro, los bordes de ataque y los flaps de dirección para el vehículo espacial X-38 de la NASA . [27] [28]
Este programa de desarrollo ha calificado el uso de pernos y tuercas de C/SiC [29] y el sistema de cojinetes de los flaps. Estos últimos fueron probados en tierra en el DLR en Stuttgart, Alemania, bajo 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 movimientos simultáneos de los cojinetes de cuatro ciclos por segundo. Se simularon un total de cinco fases de reentrada. [30] El diseño y la fabricación de los dos flaps de dirección y sus cojinetes, tornillos y tuercas fue realizado por MT Aerospace en Augsburgo, Alemania, basándose en el proceso CVI para la producción de carburo de silicio reforzado con fibra de carbono (ver los procedimientos de fabricación anteriores). Además, se desarrollaron y calificaron sistemas de protección contra la oxidación para evitar el quemado de las fibras de carbono. Después del montaje de los flaps, las pruebas mecánicas en tierra fueron realizadas con éxito por la NASA en Houston, Texas, EE. UU. La siguiente prueba, una reentrada real del vehículo no tripulado X-38, fue cancelada por razones financieras. Uno de los transbordadores espaciales habría puesto el vehículo en órbita, desde donde habría regresado a la Tierra.
Estas calificaciones eran prometedoras solo para esta aplicación. La carga de alta temperatura dura solo unos 20 minutos por reingreso y, para la reutilización, solo serían suficientes unos 30 ciclos. 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 cuerpo sustentador de Europa. Desarrollado por Thales Alenia Space , el IXV tenía previsto 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 para 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 los procedimientos de fabricación anteriores). Estos componentes deberían haber funcionado como escudo térmico del vehículo durante su reentrada atmosférica. [33]
La Comisión Europea financió un proyecto de investigación, C3HARME, bajo la convocatoria NMP-19-2015 de los Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico (H2020) en 2016 para el diseño, desarrollo, producción y prueba de una nueva clase de compuestos de matriz cerámica de temperatura ultra alta (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 más altas a la turbina, lo que mejora la eficiencia del motor. Debido a la forma compleja de los álabes del estator y de las palas de la turbina, el desarrollo se centró primero en la cámara de combustión. En los EE. UU., se probó con éxito durante 15 000 horas una cámara de combustión hecha de SiC/SiC con una fibra especial de SiC de estabilidad mejorada a alta temperatura. [35] La oxidación de SiC se redujo sustancialmente mediante el uso de un revestimiento 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 álabes de estator CMC en la sección caliente del F136 , un motor de turbofán que no logró superar al Pratt & Whitney F135 para su uso en el F-35 Joint Strike Fighter . Una empresa conjunta de motores, CFM International , está utilizando CMC para fabricar las cubiertas de turbina de alta temperatura. [37] General Electric está utilizando CMC en revestimientos de combustor, toberas y la cubierta de turbina de alta temperatura para su próximo motor GE9X. [38] También se están estudiando piezas de CMC para aplicaciones estacionarias en las secciones frías y calientes de los motores, ya que las tensiones impuestas a 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.
Tras una inversión de 1.500 millones de dólares y 20 años de investigación y desarrollo , GE Aviation pretende producir hasta 20 t (44.000 lb) de preimpregnado de CMC y 10 t de fibra de carburo de silicio al año en 2020. La deposición química en fase de vapor permite aplicar revestimientos sobre una cinta de fibra desplegable en grandes cantidades y GE ha conseguido infiltrar y fundir piezas con densidades de silicio muy altas, superiores al 90% para entornos de fatiga cíclica , gracias al procesamiento térmico. [39]
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 CMC.
Requisitos de diseño para EBC: [ cita requerida ]
Por lo general, cuando se aplica un recubrimiento con un EBC, se requiere una capa de unión para favorecer 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 ser cubierto con 2 o 3 capas adicionales. [40] Para que los EBC protejan activamente la superficie de CMC, se deben agregar coadyuvantes de sinterización a la capa de lechada para crear un recubrimiento denso 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 los 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, lo que crea una microestructura inesperada que conduce a un desajuste del CTE y una baja tenacidad en esa fase. La degradación por vapor es causada por la volatilización de la capa de óxido que crece térmicamente entre el EBC y la cerámica. El vapor producido a partir de esto conduce a una rápida recesión de SiC, es decir, la 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: [ cita requerida ]
El gas que contiene oxígeno a temperaturas superiores a 1000 °C (1800 °F) es bastante corrosivo para los componentes de metal y carburo de silicio. Dichos componentes, que no están expuestos a un alto estrés mecánico, pueden estar hechos de CMC de óxido, que pueden soportar temperaturas de hasta 1200 °C (2190 °F). La galería siguiente muestra el sostenedor de llama de una panadería de pan crujiente probado después de 15 000 horas, que posteriormente funcionó durante un total de más de 20 000 horas. [42]
Las aletas y los ventiladores que hacen circular gases calientes que contienen oxígeno se pueden fabricar con la misma forma que sus equivalentes de metal. La vida útil de estos componentes de óxido CMC 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 los aviones , y los discos de freno de C/SiC fabricados mediante el proceso LSI han sido calificados y están disponibles comercialmente para los coches deportivos . Las ventajas de estos discos de C/SiC son:
La reducción de peso mejora la respuesta del amortiguador, el confort de agarre en carretera, la agilidad, el ahorro de combustible y, por tanto, la comodidad de conducción. [44]
La matriz de SiC de 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 en su vida útil. Por lo tanto, la oxidación no es un problema en esta aplicación. La reducción de los costos de fabricación determinará el éxito de esta aplicación para automóviles de clase media. [ cita requerida ]
El SiC convencional, o a veces el SiSiC menos costoso , se ha utilizado con éxito durante más de 25 años en cojinetes deslizantes o de cojinetes de bombas . [45] El propio líquido bombeado proporciona el lubricante para el cojinete. Una muy buena resistencia a la corrosión contra prácticamente todo tipo de medios, y un desgaste muy bajo y coeficientes de fricción bajos son la base de este éxito. Estos cojinetes consisten en un cojinete estático, ajustado por contracción en su entorno metálico, y un manguito de eje giratorio, montado en el eje. Bajo tensión de compresión, el cojinete estático cerámico tiene un bajo riesgo de falla, pero un manguito de eje de SiC no tiene esta situación y, por lo tanto, debe tener un gran espesor de pared y/o estar especialmente diseñado. En bombas grandes con ejes de 100–350 mm (3,9–13,8 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 de manguito de eje ha demostrado ser muy exitosa. Los experimentos en bancos de pruebas mostraron una capacidad de carga específica casi triple del sistema de cojinetes con un manguito de eje hecho de SiC/SiC, SiC sinterizado como cojinete estático y agua a 80 °C (176 °F) como lubricante. [46] La capacidad de carga específica de un cojinete se da generalmente en W /mm2 y se calcula como un producto de la carga (MPa), la velocidad superficial del cojinete (m/s) y el coeficiente de fricción; es igual a la pérdida de potencia del sistema de cojinetes debido a la fricción.
Este concepto de cojinete deslizante, concretamente manguito de eje de SiC/SiC y cojinete de SiC, se ha utilizado desde 1994 en aplicaciones como las bombas de alimentación de agua de calderas de centrales eléctricas , [46] que bombean varios miles de metros cúbicos de agua caliente a un nivel de 2.000 m (6.600 pies), y en bombas de carcasa tubular [47] para obras hidráulicas o plantas de desalinización de agua de mar , que bombean hasta 40.000 m3 ( 1.400.000 pies cúbicos) a un nivel de alrededor de 20 m (66 pies).
Este sistema de cojinetes se ha probado en bombas de oxígeno líquido , por ejemplo en turbobombas de oxígeno para motores de empuje de cohetes espaciales, con los siguientes resultados. El SiC y el SiC/SiC son compatibles con el 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 una quincuagésima parte de los metales estándar utilizados en este entorno. [48] Un sistema de cojinetes hidrostáticos (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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