Comportamiento mecánico y resistencia a la degradación de materiales compuestos obtenidos por sinterizacion de fibras de carburo de silicio

Laburpena

Los cerámicos compuestos obtenidos por sinterización de fibras se han revelado como materiales prometedores en aplicaciones estructurales de alta temperatura dado su buen comportamiento termomecánico y la estabilidad de su microestructura. En particular, los constituidos por fibras de SiC permiten operar a más alta temperatura que aquellos con fibras de óxidos metálicos. En esta tesis se han estudiado dos compuestos obtenidos por prensado en caliente de telas cerámicas constituidas por las fibras Tyranno-SA y Tyranno Lox M respectivamente, fabricados por Ube Industries Ltd. (Japón). Se han evaluado su microestructura, comportamiento mecánico a alta temperatura, respuesta tribológica y comportamiento ante la unión consigo mismo y con metales refractarios. El material constituido por las fibras SA, SA-Tyrannohex, muestra fibras de sección poligonal conectadas entre sí por una interfase de C según estudio de microscopía electrónica de barrido. Se ha observado un gradiente en la concentración de C residual, siendo ésta mayor en el interior de las fibras, donde se observa también un menor tamaño de grano de SiC. Tratamientos térmicos en vacío a temperaturas de hasta 2000 ºC han permitido determinar la alta estabilidad de esta microestructura. El Tyrannohex está constituido por las fibras Tyranno Lox M de sección circular y los intersticios están rellenos por SiO2, principalmente en fase amorfa. Al igual que en el compuesto anterior, las fibras están rodeadas de una capa de C turbostrático de espesor 20-40 nm, según observación con microscopía electrónica de transmisión, que se espera juegue un papel determinante en el comportamiento a fractura de estos materiales. La resistencia a la flexión se ha estudiado realizando ensayos de 4 puntos - 1/4 punto a temperaturas de hasta 1400 ºC en aire, en barras de los materiales recibidos, y a temperatura ambiente en muestras tras ser sometidas a choque térmico. Los materiales mantienen su resistencia a la flexión hasta la más alta temperatura, muestra de la estabilidad térmica de su microestructura. Tras ser sometidos a choque térmico de con una diferencia de 1400 ºC respecto a la temperatura ambiente siguen conservando el 90 % de su resistencia inicial a la flexión. Esto puede atribuirse a la presencia de la interfase de C que rodea a las fibras de SiC en ambos compuestos y a la buena resistencia mecánica de las fibras Tyranno. Se presenta un estudio preliminar del comportamiento ante fluencia en compresión llevado a cabo en distintas condiciones de carga, 150 - 400 MPa, y temperatura, 1400-1500 ºC. Estas condiciones de partida se han determinado con estudios previos de compresión a alta temperatura y baja velocidad de acuerdo con la aparición de posible plasticidad. Se ha realizado un estudio de la respuesta tribológica del SA-Tyrannohex usando como material de contacto una bola de Si3N4. Aunque el coeficiente de fricción es algo menor al de materiales sinterizados de SiC gracias a la presencia de la interfase de C entre las fibras que actúa como lubricante sólido, la contrapartida es una velocidad de desgaste mayor, ~100 mm^3⁄(MJ,) debido a la microfractura y desunión de las fibras. Se ha determinado la dependencia de estos parámetros con la carga aplicada y la velocidad de deslizamiento. Se han implementado uniones del cerámico SA-Tyrannohex consigo mismo y con metales. Para la unión cerámico-metal se ha empleado una aleación de relleno Ag-Cu-Ti disponible comercialmente que se ha calentado por encima de su punto de fusión. Se ha unido el compuesto a un metal refractario, Cu-Mo-Cu, pensando en posibles aplicaciones de intercambio de calor. En lo referente a la unión cerámico-cerámico se ha evaluado el uso de vidrios cerámicos basados en SiO2 y Al2O3 fabricados en el Politécnico de Turín (Italia), de cara a aplicaciones a alta temperatura. Se analiza la morfología de las uniones obtenidas y se lleva a cabo un estudio preliminar de su resistencia mecánica. En el caso de las uniones con el metal también se evalúa su conductividad térmica. En todos los casos se han obtenido uniones continuas libres de defectos.