Un equipo de investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) y la Universidad de Lehigh ha desarrollado una aleación de cobre nanostructurada que podría revolucionar los materiales de alta temperatura utilizados en aplicaciones aeroespaciales, de defensa e industriales. Este hallazgo, publicado en la revista Science, presenta una aleación de Cu-Ta-Li (cobre-tántalo-litio) con una estabilidad térmica y una resistencia mecánica excepcionales, convirtiéndola en uno de los materiales a base de cobre más resistentes jamás creados.
Según Martin Harmer, profesor emérito de Ciencia y Ingeniería de Materiales en la Universidad de Lehigh y coautor del estudio, «esta es una ciencia de vanguardia, que desarrolla un nuevo material que combina de manera única la excelente conductividad del cobre con la resistencia y durabilidad propias de las superaleaciones a base de níquel». Esto proporciona a la industria y al ámbito militar una base para crear nuevos materiales para tecnologías hipersónicas y motores de turbina de alto rendimiento.
Novedades en la estructura de la aleación
El avance se debe a la formación de precipitados de Cu3Li, estabilizados por una complexión atómica rica en Ta, un concepto pionero de los investigadores de Lehigh. A diferencia de los límites de grano típicos que migran con el tiempo a altas temperaturas, esta complexión actúa como un estabilizador estructural, manteniendo la estructura nanocristalina y evitando el crecimiento de grano, lo que mejora drásticamente el rendimiento a altas temperaturas.
La aleación mantiene su forma bajo una exposición térmica extrema y un estrés mecánico prolongado, resistiendo la deformación incluso cerca de su punto de fusión, como ha señalado Patrick Cantwell, científico de investigación en la Universidad de Lehigh y coautor del estudio. Al fusionar la resistencia a altas temperaturas de las superaleaciones a base de níquel con el cobre, conocido por su excepcional conductividad, este material abre la puerta a aplicaciones de próxima generación, incluidas intercambiadores de calor, sistemas de propulsión avanzados y soluciones de gestión térmica para tecnologías de misiles y hipersónicas de vanguardia.
La nueva aleación Cu-Ta-Li ofrece un equilibrio de propiedades que no se encuentra en los materiales existentes. Las superaleaciones a base de níquel, que se utilizan en motores de avión, son extremadamente fuertes, pero carecen de la alta conductividad térmica de las aleaciones de cobre. Por otro lado, las aleaciones a base de tungsteno son altamente resistentes al calor, pero densas y difíciles de fabricar. Esta nueva aleación combina la excepcional conductividad térmica y eléctrica del cobre, manteniéndose fuerte y estable en temperaturas extremas. Aunque no es un reemplazo directo para las superaleaciones tradicionales en aplicaciones de ultra alta temperatura, tiene el potencial de complementarlas en soluciones de ingeniería de próxima generación.
El equipo sintetizó la aleación utilizando metalurgia en polvo y molienda criogénica de alta energía, asegurando una estructura nanométrica fina. Luego, sometieron la aleación a una serie de pruebas, que incluyeron:
- 10,000 horas (más de un año) de recocido a 800°C, para evaluar su estabilidad a largo plazo.
- Técnicas de microscopía avanzada, que revelaron la estructura del precipitado Cu3Li.
- Experimentos de resistencia al deslizamiento, confirmando su durabilidad en condiciones extremas.
- Modelado computacional utilizando teoría de funcional de densidad (DFT), que validó el papel estabilizador de la complexión de Ta.
El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. ha obtenido una patente estadounidense (US 11,975,385 B2) para la aleación, destacando su importancia estratégica, especialmente en aplicaciones de defensa como intercambiadores de calor militares, sistemas de propulsión y vehículos hipersónicos. Los científicos afirman que la investigación futura incluirá medidas directas de la conductividad térmica de la aleación en comparación con las alternativas a base de níquel, trabajos para prepararla para aplicaciones potenciales y el desarrollo de otras aleaciones de alta temperatura siguiendo una estrategia de diseño similar.
Harmer concluye que «este proyecto es un gran ejemplo de cómo la inversión federal en ciencia fundamental impulsa el liderazgo estadounidense en tecnología de materiales». Los descubrimientos científicos como este son clave para fortalecer la seguridad nacional y fomentar la innovación industrial.
