Cermet

Un cermet es un material compuesto compuesto por materiales cerámicos y metálicos.

Un cermet puede combinar propiedades atractivas de una cerámica, como la resistencia a altas temperaturas y la dureza, y las de un metal, como la capacidad de sufrir deformación plástica. El metal se utiliza como aglutinante para óxidos, boruros o carburos. Generalmente los elementos metálicos utilizados son níquel, molibdeno y cobalto. Dependiendo de la estructura física del material, los cermets también pueden ser compuestos de matriz metálica, pero los cermets suelen tener menos del 20% de metal en volumen.

Los cermets se utilizan en la fabricación de resistencias (especialmente potenciómetros), condensadores y otros componentes electrónicos que pueden experimentar altas temperaturas.

Los cermets se utilizan en lugar de carburo de tungsteno en sierras y otras herramientas soldadas debido a sus propiedades superiores de desgaste y corrosión. El nitruro de titanio (TiN), el carbonitruro de titanio (TiCN), el carburo de titanio (TiC) y similares se pueden soldar como el carburo de tungsteno si se preparan adecuadamente; sin embargo, requieren un manejo especial durante el rectificado.

Los compuestos de fases MAX, una clase emergente de carburos o nitruros ternarios con aleaciones de aluminio o titanio, se han estudiado desde 2006 como materiales de alto valor que exhiben propiedades cerámicas favorables en términos de dureza y resistencia a la compresión junto con ductilidad y tenacidad a la fractura típicamente asociadas. con metales. Estos materiales cermet, incluidos los compuestos de fase MAX de aluminio, tienen aplicaciones potenciales en aplicaciones automotrices y aeroespaciales.

También se está considerando el uso de algunos tipos de cermet como blindaje de naves espaciales, ya que resisten los impactos de alta velocidad de micrometeoroides y desechos orbitales de manera mucho más efectiva que los materiales de naves espaciales más tradicionales, como el aluminio y otros metales.

Historia

Fuente:

Después de la Segunda Guerra Mundial, se hizo evidente la necesidad de desarrollar materiales resistentes a altas temperaturas y tensiones. Durante la guerra, los científicos alemanes desarrollaron cermets a base de óxido como sustitutos de las aleaciones. Vieron un uso para esto en las secciones de alta temperatura de los nuevos motores a reacción, así como en los álabes de turbinas de alta temperatura. Hoy en día, la cerámica se implementa habitualmente en la parte de combustión de los motores a reacción porque proporciona una cámara resistente al calor. También se han desarrollado álabes de turbina cerámicos. Estas hojas son más livianas (menos masivas) que el acero y permiten una mayor aceleración de rotación (“tiempo de enrollado”) de los conjuntos de hojas.

La Fuerza Aérea de los Estados Unidos vio potencial en la tecnología de materiales y se convirtió en uno de los principales patrocinadores de varios programas de investigación en los EE. UU. Algunas de las primeras universidades en investigar fueron la Universidad Estatal de Ohio, la Universidad de Illinois y la Universidad Rutgers.

La palabra cermet en realidad fue acuñada por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, con la idea de que son una combinación de dos materiales, un metal y una cerámica. Las propiedades físicas básicas de los metales incluyen ductilidad, alta resistencia y alta conductividad térmica. La cerámica posee propiedades físicas básicas como un alto punto de fusión, estabilidad química y especialmente resistencia a la oxidación.

El primer material metálico cerámico desarrollado utilizó óxido de magnesio (MgO), óxido de berilio (BeO) y óxido de aluminio (Al₂O₃) para la parte cerámica. El énfasis en las resistencias a la rotura por alta tensión fue de alrededor de 980 °C. La Universidad Estatal de Ohio fue la primera en desarrollar cermets a base de Al₂O₃ con altas resistencias a la rotura por tensión, alrededor de 1200 °C. Kennametal, una empresa de herramientas y trabajo de metales con sede en Latrobe, PA, EE. UU., desarrolló el primer cermet de carburo de titanio con 19 megapascales (2800 psi) y una resistencia a la tensión de ruptura de 100 horas a 980 °C. Los motores a reacción funcionan a esta temperatura y se invirtió más investigación en el uso de estos materiales para los componentes.

El control de calidad en la fabricación de estos compuestos metálicos cerámicos era difícil de estandarizar. La producción debía limitarse a lotes pequeños y dentro de estos lotes las propiedades variaban mucho. La falla del material generalmente era el resultado de fallas no detectadas que generalmente se nucleaban durante el procesamiento.

La tecnología existente en la década de 1950 alcanzó un límite para los motores a reacción donde poco más se podía mejorar. Posteriormente, los fabricantes de motores se mostraron reacios a desarrollar motores metálicos cerámicos. El interés se renovó en la década de 1960, cuando se examinaron más de cerca el nitruro de silicio y el carburo de silicio. Ambos materiales poseían mejor resistencia al choque térmico, alta resistencia y conductividad térmica moderada.

Producción de Cermet, División Helipot de Beckman Instruments, 1966

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  1. Ingredientes esteatitos siendo pesados

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  2. Proceso de Granulación Steatite

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  3. Aprendizaje Steatite Chip

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  4. Firing de alta temperatura del chip estéatito

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  5. Beckman Modelo 61 Potentímetro (Cermet Screening)

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  6. Firing final de Cermet

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  7. Control de la resistencia eléctrica

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  8. Asamblea Final

Aplicaciones

Juntas y sellos cerámica-metal

Los cermets se utilizaron ampliamente por primera vez en aplicaciones de juntas de cerámica y metal. La construcción de tubos de vacío fue uno de los primeros sistemas críticos, y la industria electrónica empleó y desarrolló dichos sellos. Los científicos alemanes reconocieron que se podrían producir tubos de vacío con mejor rendimiento y confiabilidad sustituyendo el vidrio por cerámica. Los tubos cerámicos pueden desgasificarse a temperaturas más altas. Debido al sello de alta temperatura, los tubos cerámicos soportan temperaturas más altas que los tubos de vidrio. Los tubos cerámicos también son mecánicamente más fuertes y menos sensibles al choque térmico que los tubos de vidrio. Hoy en día, los recubrimientos de tubos de vacío de cermet han demostrado ser clave para los sistemas solares de agua caliente.

También se han utilizado sellos mecánicos de cerámica a metal. Tradicionalmente se han utilizado en pilas de combustible y otros dispositivos que convierten la energía química, nuclear o termoiónica en electricidad. El sello de cerámica a metal es necesario para aislar las secciones eléctricas de generadores impulsados por turbinas diseñados para operar en vapores corrosivos de metal líquido.

Biocerámica

Las biocerámicas desempeñan un papel importante en los materiales biomédicos. El desarrollo de estos materiales y la diversidad de técnicas de fabricación ha ampliado las aplicaciones que se pueden utilizar en el cuerpo humano. Pueden presentarse en forma de capas finas sobre implantes metálicos, de composites con un componente polimérico o incluso simplemente de redes porosas. Estos materiales funcionan bien en el cuerpo humano por varias razones. Son inertes y, como son reabsorbibles y activos, los materiales pueden permanecer en el cuerpo sin cambios. También pueden disolverse y participar activamente en procesos fisiológicos, por ejemplo, cuando la hidroxiapatita, un material químicamente similar a la estructura ósea, puede integrarse y ayudar a que el hueso crezca en ella. Los materiales comunes utilizados para las biocerámicas incluyen alúmina, circonio, fosfato de calcio, cerámica de vidrio y carbonos pirolíticos.

Un uso importante de la biocerámica es en la cirugía de reemplazo de cadera. Los materiales utilizados para las articulaciones de la cadera de reemplazo eran generalmente metales como el titanio, y la cavidad de la cadera generalmente estaba revestida con plástico. La bola multiaxial era una bola de metal resistente, pero finalmente fue reemplazada por una bola de cerámica de mayor duración. Esto redujo la aspereza asociada con la pared metálica contra el revestimiento plástico de la cavidad artificial de la cadera. El uso de implantes cerámicos prolongó la vida útil de las piezas de reemplazo de cadera.

Los cermets dentales también se utilizan en odontología como material para empastes y prótesis.

Transporte

Las piezas cerámicas se han utilizado junto con piezas metálicas como materiales de fricción para frenos y embragues.

Calentadores eléctricos

Los cermets se utilizan como elementos calefactores en calentadores de resistencia eléctrica. Una técnica de construcción comienza con el material cermet formulado como una tinta que se imprime sobre un sustrato y luego se cura con calor. Esta técnica permite la fabricación de formas complejas de elementos calefactores. Ejemplos de aplicaciones para elementos calefactores cermet incluyen calentadores de termostato, fuentes de calor para esterilización de biberones, calentadores de jarras de café, calentadores para control de hornos y calentadores de fusor de impresoras láser.

Otras aplicaciones

El ejército de los Estados Unidos y el ejército británico han realizado extensas investigaciones en el desarrollo de cermets. Estos incluyen el desarrollo de armaduras ligeras de cerámica a prueba de proyectiles para soldados y también armaduras Chobham.

Los cermets también se utilizan en el mecanizado de herramientas de corte.

Los cermets también se utilizan como material de anillo en guías de hilo de alta calidad para cañas de pescar.

Se ha investigado un cermet de material fisionable empobrecido (por ejemplo, uranio, plutonio) y sodalita por sus beneficios en el almacenamiento de desechos nucleares. También se han investigado compuestos similares para su uso como forma de combustible para reactores nucleares y cohetes térmicos nucleares.

Como cermet nanoestructurado, este material se utiliza en el campo óptico, como por ejemplo en absorbentes solares/superficies selectivas. Gracias al tamaño de las partículas (~5 nm), se generan plasmones superficiales sobre las partículas metálicas que permiten la transmisión de calor.

Por motivos relacionados con el lujo, a veces se encuentra cermet como material de caja para algunos relojes, incluido el reloj Deep Sea Chronograph Vintage Cermet de Jaeger-LeCoultre. También se usó (noviembre de 2019) en el bisel del reloj insignia de buceo Seiko Prospex LX Line Limited Edition.