Un equipo de investigación ha logrado sintetizar cerámicas avanzadas de tungsteno, en particular carburo de tungsteno (WC) y boruro de tungsteno (WB2), con propiedades mecánicas excepcionales y una notable resistencia a la ablación. Estos hallazgos, publicados en las revistas Ceramics International y Journal of the European Ceramic Society, son un paso importante hacia el desarrollo de materiales más eficientes para sistemas de protección térmica.
Desarrollo y propiedades de los materiales
Las cerámicas de ultralta temperatura (UHTCs) son fundamentales en aplicaciones que requieren materiales con altos puntos de fusión y estabilidad. Los UHTCs basados en tungsteno ofrecen una resistencia destacada al calor y a la radiación, pero tradicionalmente han enfrentado retos significativos en su fabricación. Estos incluyen la dificultad para alcanzar una alta densidad durante el procesamiento y el crecimiento excesivo de granos durante el sinterizado.
En este estudio, liderado por el profesor Huang Zhulin del Instituto de Física del Estado Sólido de la Academia China de Ciencias, se utilizó un método de precursor en fase líquida para sintetizar polvos cerámicos de WC-xTaC y WB2 de alta pureza. La incorporación de carburo de tantalio (TaC) como inhibidor del crecimiento de grano permitió controlar el tamaño de grano en las cerámicas de WC, logrando una densificación del 97,8% y una dureza de 24 GPa, sin necesidad de utilizar ningún aglutinante.
Para el compuesto basado en WB2, se añadió carburo de silicio (SiC) con el fin de mejorar el sinterizado, resultando en un material WB2-SiC (WS20) con una densificación del 98,2% y una dureza aún mayor de 26,9 GPa. Para optimizar la resistencia a la ablación, el equipo incorporó óxido de lantano (La₂O₃) en el compuesto.
El material final, WS20L5, demostró una resistencia impresionante cuando fue expuesto a una llama de plasma a 2273 K, con una tasa de ablación en masa de solo 0,463 mg/s y una tasa de ablación lineal de 0,311 μm/s, comparable a los UHTCs convencionales basados en zirconio y hafnio. Este avance no solo mejora la durabilidad de los materiales en condiciones extremas, sino que también abre nuevas posibilidades para su uso en la industria aeroespacial y otras aplicaciones críticas.
Un análisis más profundo reveló que el La₂O₃ reacciona con SiO₂ a altas temperaturas para formar La₂Si₂O₇, lo que ayuda a atrapar el óxido de boro (B₂O₃) y evita su evaporación. Al mismo tiempo, durante la ablación se forma una capa vítrea protectora de B-Si-O-La en la superficie, sellando los poros y bloqueando la entrada de oxígeno al material, lo que mejora efectivamente su durabilidad bajo condiciones adversas.
Este estudio proporciona estrategias innovadoras para optimizar el rendimiento de los UHTCs basados en tungsteno mediante el dopaje y el diseño de compuestos, destacando la importancia de la investigación en materiales avanzados para enfrentar los retos tecnológicos del futuro.
