Los investigadores del Instituto IMDEA Materiales y miembros del programa ESTRUMAT, han implementado nuevas técnicas de caracterización nanomecánica a alta temperatura. El objetivo de esta línea de investigación es doble. Por un lado, estas técnicas resultan necesarias para estudiar los efectos del tamaño sobre las propiedades mecánicas de los materiales, que son relevantes para las aplicaciones en las que la miniaturización está conllevando dispositivos cada vez más pequeños. Por otro lado, estas técnicas abren la posibilidad de analizar las propiedades mecánicas en aquellos casos en los que la cantidad de material disponible es tan limitada que no se pueden llevar a cabo ensayos convencionales.
El ensayo de compresión de micropilares, en el que un pilar de dimensiones microscópicas se comprime en un equipo de nanoindentación instrumentada, constituye un buen ejemplo de esta estrategia (ver Figura 1). La compresión de micropilares a temperatura ambiente ha demostrado ser un método muy eficaz a la hora de estudiar los efectos del tamaño sobre los mecanismos de deformación y fractura de volúmenes muy pequeños de materiales metálicos (del orden de 1 μ m3). Sin embargo, la realización de dichos ensayos en condiciones de alta temperatura continúa siendo un universo por explorar. Esto se debe a las dificultades que conlleva conseguir la estabilidad termomecánica necesaria para medir cargas y desplazamientos con resoluciones de nanonewtons y nanómetros, respectivamente, en dichas condiciones.
Figura 1. Imágenes tomadas con un microscopio electrónico de barrido (SEM) de micropilares comprimidos de materiales multicapa de Al/SiC a nanoescala: (a) a temperatura ambiente; y (b) a 100 ºC.
El comportamiento mecánico de materiales nanolaminados consitituye un ejemplo vigente de la aplicabilidad de este tipo de ensayos. Estos materiales compuestos, formados por capas alternas de dos materiales distintos con espesores de capa nanométricos, presentan una combinación muy atractiva de propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas. En concreto, los nanolaminados metal-cerámicos (como el sistema Al/SiC) presentan una atractiva combinación de propiedades ópticas que los hacen muy atractivos como recubrimientos en aplicaciones de energía termosolar. Se ha comprobado además que su estructura nanolaminar les confiere un alta resistencia, dureza y resiliencia a temperatura ambiente. Sin embargo, poco se conoce acerca de su comportamiento mecánico a altas temperaturas, vital para la aplicación final, ya que no existen métodos normalizados para ensayar las propiedades mecánicas de recubrimientos a altas temperaturas.
Los investigadores del Instituto IMDEA Materiales han superado esta limitación utilizando la técnica de compresión de micropilares a alta temperatura. Para ello, han utilizado la técnica de microscopía de haces iónicos enfocados para fabricar micropilares de 500 nanómetros de diámetro, que deformaron posteriormente a compresión utilizando un sistema de nanoindentación instrumentada a alta temperatura. En las imágenes de la Figura 1 se muestran dos micropilares comprimidos a temperatura ambiente y a 100 ºC, respectivamente, lo que sirve para poner de manifiesto las grandes diferencias que provoca la temperatura en el comportamiento plástico de las nanocapas metálicas de Al, confinadas por las nanocapas cerámicas de SiC[1]. A temperatura ambiente, la resistencia a compresión de las multicapas de Al/SiC era muy grande (aprox. 3 GPa) a consecuencia de que la deformación plástica de las nanocapas metálicas está confinada por las nanocapas cerámicas, mucho más resistentes. Sin embargo, un pequeño aumento de la temperatura a 100 ºC, produce una reducción drástica del efecto de confinamiento, como pone de manifiesto la extrusión de las nanocapas de Al en los bordes del pilar de la Figura 1(b), lo que se traduce en una importante reducción de la resistencia. El estudio reveló los micromecanismos responsables de la atractiva combinación de resistencia y resiliencia que presentan estos materiales, pero también mostró la enorme sensibilidad de estos a la temperatura, de tal forma que a 100 ºC se produce una reducción de la resistencia en un 50% (Figura 2).
Figura 2. Curvas de tensión de compresión-deformación de los materiales de multicapas nanométricas de Al/SiC a temperatura ambiente y a 100 ºC.
Las actividades de investigación arriba mencionadas han sido desarrolladas en el marco de los proyectos SIZEMATERS (MICINN, Proyectos de Investigación básica del Plan Nacional) y ESTRUMAT (Comunidad de Madrid, Programas de actividades de I+D entre grupos de investigación). Por otro lado, estos prometedores resultados han sido la base del proyecto de I+D recientemente aprobado por la “Materials World Network” (NSF) que se llevará a cabo en colaboración con la Arizona State University y Los Alamos National Laboratory (EE.UU).
1 En colaboración con el Prof. Chawla, de la Arizona State University (EE.UU.).
