24.04.2020 - Universität Bayreuth

Recubrimientos cerámicos para aplicaciones de alta tecnología: Nuevo método de pulverización optimizado

Polvo Aerosol Deposición de películas de cerámica densa se puede aplicar a muy diferentes tipos de materiales

Durante mucho tiempo, la producción de revestimientos cerámicos sólo ha sido posible mediante técnicas de sinterización realizadas a más de 1.000 grados centígrados. Sin embargo, un novedoso método de pulverización, el Depósito de Polvo en Aerosol (PAD), permite su producción a temperaturas ambiente normales. Por lo tanto, es muy atractivo para las aplicaciones industriales. Los científicos de ingeniería de la Universidad de Bayreuth, bajo la dirección del Prof. Dr.-Ing. Ralf Moos, están trabajando en la primera línea del desarrollo continuo de esta tecnología. En la revista "Advanced Materials" presentan sus ventajas y muestran cómo se pueden optimizar las propiedades funcionales de las películas cerámicas con respecto a las aplicaciones de alta tecnología.

Con la PAD, las películas cerámicas densas pueden aplicarse a muy diferentes tipos de materiales, como el acero, el vidrio, el silicio o incluso el plástico. Para conseguirlo, un polvo cerámico seco se convierte primero en un aerosol, es decir, en una mezcla de gas y partículas sólidas, con la ayuda de un gas portador. El aerosol se transporta entonces a una cámara de vacío, y se acelera a varios 100 metros por segundo a través de una boquilla y se dirige al material a recubrir. En el impacto, las diminutas partículas de cerámica se fracturan. Los fragmentos resultantes, de sólo unos pocos nanómetros de tamaño, presentan superficies frescas y activas. Forman recubrimientos densos y fuertemente adheridos con un grosor de entre 1 y 100 micrómetros.

"Gracias a su densa microestructura, los revestimientos ya presentan excelentes propiedades mecánicas incluso directamente después de la deposición. Son extraordinariamente duros y tienen una buena resistencia química", explica el Dr.-Ing. Jörg Exner, primer autor del estudio, que fue una fuerza motriz en el trabajo de investigación sobre PAD en la Universidad. Sin embargo, resultó que algunas propiedades funcionales de los recubrimientos, especialmente la conductividad eléctrica, resultaron ser inadecuadas sin llevar a cabo otros pasos. No obstante, en su nuevo estudio, los científicos de ingeniería de Bayreuth pueden ahora informar sobre métodos eficaces de optimización.

Las estructuras cristalinas tienen una importancia crucial en este contexto. El fuerte impacto de las partículas de cerámica en los materiales causa defectos estructurales en los fragmentos resultantes. Esto no sólo afecta a la conductividad eléctrica, sino también a otras propiedades funcionales. "Mediante un postratamiento térmico, o el llamado templado, estos defectos pueden ser eliminados casi por completo. Hemos podido demostrar que las temperaturas requeridas son generalmente mucho más bajas que para la sinterización convencional. Evitar estas temperaturas extremadamente altas es lo que hace que la PAD sea tan atractiva. Por lo tanto, sigue siendo cierto: Esta tecnología ofrece un potencial industrial muy alto, especialmente cuando se requieren revestimientos cerámicos de alta calidad", concluye Exner.

El tipo de materiales cerámicos que se procesan depende de las aplicaciones tecnológicas previstas: Las cerámicas dieléctricas son adecuadas para los condensadores, las cerámicas funcionales conductoras de electricidad son preferibles para los sensores, y el óxido de circonio estabilizado con itrio se utiliza en las pilas de combustible de alta temperatura. Incluso las baterías de iones de litio se pueden producir de esta manera.

La comprensión científica de las estructuras de las películas cerámicas y de sus propiedades funcionales, adquirida en la Universidad de Bayreuth, contribuirá significativamente al objetivo de integrar componentes revestidos de alta calidad en sistemas complejos de manera sostenible. Por consiguiente, las nuevas tecnologías, por ejemplo, en las esferas del almacenamiento y la conversión de energía, o con fines de vigilancia ambiental, podrán beneficiarse considerablemente de las aplicaciones de la deposición de aerosoles en polvo.

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