La cerámica podría desempeñar un papel importante como material aislante en los aviones hipersónicos de próxima generación, dijo Chu Yanhui, de la Universidad de Tecnología del Sur de China, a China Science Daily.
Los materiales cerámicos porosos son cada vez más populares para aislamiento debido a sus buenas propiedades, como ligereza, inercia química y baja conductividad térmica. Sin embargo, lograr resistencia mecánica manteniendo el aislamiento térmico es un desafío. Esto se debe a que, para aumentar el aislamiento térmico, los paneles cerámicos porosos suelen tener que perforarse con más orificios, lo que suele reducir significativamente la resistencia del material. Además, los materiales porosos suelen perder resistencia y contraerse al exponerse a altas temperaturas.
El equipo de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Guangzhou, que desarrolló la nueva cerámica, afirmó que el diseño estructural multiescala del material superaría estas limitaciones inherentes. El informe de investigación del equipo se ha publicado en la revista Advanced Materials.
“La cerámica, llamada 9PHEB, muestra propiedades excepcionales y la capacidad de mantener la durabilidad a temperaturas de hasta 2.000 grados Celsius, lo que la hace adecuada para su uso en condiciones adversas”, escribió Chu, quien dirigió la investigación, en el documento.
El material se basa en el concepto de aleaciones de alta entropía (aleaciones que contienen una combinación de cinco o más elementos). En el caso del 9PHEB, se trata de una combinación de nueve componentes iónicos porosos con carga positiva.
Según los autores, el 9PHEB presenta una porosidad de aproximadamente el 50 %, pero una resistencia a la compresión extremadamente alta, de unos 337 millones de pascales (MPa), a temperatura ambiente, significativamente mayor que las cerámicas porosas conocidas anteriormente. Asimismo, el nuevo material también obtuvo buenos resultados en las pruebas de aislamiento y estabilidad térmica, conservando el 98,5 % de su resistencia a temperatura ambiente incluso a 1500 grados.
Al comprimirse a 2000 grados Celsius, a diferencia de la cerámica tradicional, que tiende a fracturarse frágilmente, el 9HPEB presenta deformación plástica. En este punto, la nueva cerámica porosa experimenta una deformación del 49 %, equivalente a una resistencia a la compresión de 690 MPa, el doble que al principio.
Es importante destacar que la alta temperatura no tuvo ningún efecto significativo en el volumen ni en las dimensiones del material. El 9HPEB solo se contrajo aproximadamente un 2,4 % después del recocido a 2000 °C.
El Sr. Chu atribuye las propiedades mecánicas y térmicas al diseño “multicapa” de la cerámica: “poros ultrafinos a microescala, interfaces de alta calidad a nanoescala y distorsión reticular a escala atómica”.
La microestructura de los poros cerámicos, tanto su tamaño como su distribución, es fundamental para el diseño. Aproximadamente el 92 % de los poros son ultrafinos, con un tamaño de tan solo 0,8 a 1,2 micrómetros, un parámetro que, según los científicos, les confiere propiedades de aislamiento térmico inigualables. A escala nanométrica, la cerámica presenta conexiones sólidas y sin defectos que mejoran la resistencia mecánica. Y a escala atómica, las distorsiones reticulares causadas por su diseño de alta entropía mejoran la rigidez y reducen la conductividad térmica.
Estas propiedades aumentan la resistencia mecánica y las propiedades de aislamiento térmico del material, haciéndolo adecuado para su uso en las condiciones más duras, concluyeron los investigadores.
Zhuang Lei, profesor asociado de la escuela de ciencia e ingeniería de materiales y coautor, dijo a China Science Daily que el material podría tener amplias aplicaciones en industrias como la aeroespacial, la energética y la ingeniería química.
(Según SCMP)
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