Procesamiento de materiales en estado sólido
Por Nistela Villaseñor
México, DF. 3 de agosto de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- En los últimos años ha incrementado el interés industrial en materiales nanoestructurados (de dimensiones macroscópicas que internamente tienen una estructura nanométrica). Sin embargo, conseguir un tamaño nanométrico es complicado con medios diferentes al llamado proceso de deformación plástica severa.
Según Francisco Alfredo García Pastor, doctor en Ciencias Materiales por la Universidad de Mánchester, Reino Unido, este tipo de procesamientos se han llevado a cabo en Estados Unidos, Medio Oriente y en algunas universidades europeas.
“Mi área de investigación es hacia el procesamiento de materiales en el estado sólido, en particular hacia aleaciones y metales, y en específico el acero, titanio y aluminio. Va relacionado con las tendencias de la industria en México y de la investigación en el mundo; tratamos de balancear un poco”, dijo García Pastor.
En México, la industria de procesamiento más importante está relacionada con el acero, aseguró el también miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) con el nivel I.
“Nosotros hemos trabajado con algunas empresas de la región sureste de Coahuila en el área de análisis de procesos en el estado sólido, tratamientos térmicos, distorsión, modelación, mejora de procesos; y por otro lado, en cuestiones académicas: trabajos de investigación de ciencia básica, procesamiento de materiales compuestos como titanio, aluminio y recientemente del sistema niobio-cobre”, detalló.
Aplicación del proyecto
El investigador afirmó que existen muchas empresas de la industria nacional que se dedican a trabajar con aceros de diversos grados. El proyecto de investigación está orientado precisamente a mejorar procesos que permitan a dichas compañías competir ante las importaciones.
Asimismo, García Pastor mencionó que el proyecto enfoca sus esfuerzos, mediante la investigación básica de titanio y otros materiales avanzados, en tratar de establecer un tipo de industria en el país que es relativamente incipiente. “Va orientado hacia la industria aeronáutica, al contrario del acero, que va más enfocado a la automotriz”, abundó.
Para el especialista, formar recursos humanos en estas áreas es con el objetivo de fortalecer industrias que son relativamente pocas, indicadas en algunos sectores muy específicos del país, pero que en unos 10 años “sin duda vamos a ver mucho más la necesidad de este tipo de recursos humanos y de este tipo de investigación en el área aeronáutica”.
Materiales compuestos de niobio y cobre
Un material compuesto es aquel que está formado de dos distintos; pueden ser de la misma familia: dos metales, por ejemplo. Pero también pueden ser hechos por un metal cerámico y un metal polímero. La idea de los materiales compuestos es tomar lo mejor de las propiedades de cada uno, explicó el investigador.
“En el caso de los laminados de niobio-cobre hacemos un procesamiento en un equipo que tenemos –de reciente adquisición– en el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) de Saltillo, que es un molino de laminación. Son dos rodillos conectados a un tren de fuerza que permiten deformar el material de forma importante. Este tipo de procesos se conocen como de deformación plástica severa”, describió.
El proceso de deformación plástica severa consiste en colocar plastas de niobio y de cobre una sobre la otra, y formarlas en frío a través de los rodillos que tienen una fuerza de 18 toneladas de separación; esto permite crear un material compuesto de láminas de niobio y de cobre, refirió García Pastor.
“Hacemos un procesamiento muy similar al utilizado para hacer el pan de hojaldre: una vez formado el material, lo cortamos transversalmente, colocamos esas secciones una encima de la otra para repetir una y otra vez esa deformación”, abundó.
El especialista indicó que si inician el procesamiento con materiales de medio milímetro de espesor, después de unas cuatro o cinco “pasadas”, el material empieza a alcanzar tamaños nanométricos, y muy pronto las laminillas tienen 200 o 100 nanómetros de espesor. Cuando el material tiene un espacio tan limitado, se incrementa considerablemente su tenacidad y resistencia al impacto.
“Comenzamos con dos materiales de medio milímetro cada uno; los formamos y los reducimos a la mitad; terminamos con una lámina unida formada de dos materiales de tan solo 0.25 milímetros de espesor. Los cortamos, los colocamos uno encima de otro, volvemos a tener un material de medio milímetro y lo volvemos a deformar. De esta forma podemos deformar muchas veces sin perder el espesor inicial”, precisó.
Los agregados de niobio-cobre se procesan desde hace dos o tres años, aseguró el entrevistado. Se utilizan en aplicaciones aeronáuticas, por ejemplo, donde se requieren materiales muy resistentes pero también con alta tenacidad, es decir, una gran resistencia al impacto. La limitante del material niobio-cobre es que es relativamente pesado. “Estamos buscando materiales un poco más ligeros”, expresó el doctor.
“Algo que apenas se está comenzando a estudiar es utilizar este tipo de agregados como material de blindaje, posiblemente como refuerzo para los chalecos formados por fibras de Kevlar”, añadió.
“Lo novedoso de los agregados de laminados niobio-cobre es que al volverlos a apilar uno sobre otro, efectivamente estamos eliminando el problema de reducción excesiva, y lo que estamos consiguiendo es un material muy resistente que mantiene sus dimensiones originales”, afirmó.
De acuerdo con el doctor García Pastor, hay un límite: cuando el material ha sido demasiado deformado empieza a fracturarse. “Hay otros límites para estos materiales; en particular el sistema niobio-cobre no es el material más ligero; en la tabla periódica, ambos elementos son bastante pesados; ese es un problema. Sin embargo, hemos comenzado a utilizar materiales más ligeros como titanio y aluminio para formar agregados como aleación, no como material compuesto que ya utiliza, en turbinas de aviones, General Electric, por ejemplo”, manifestó.
Tiempos del proyecto
Como lo refirió García Pastor, la investigación inició a finales del año pasado con recursos propios, como parte de la reciente adquisición del molino de laminación en el Cinvestav unidad Saltillo.
“Este año comienzan tres estudiantes: uno de licenciatura, que está en una estancia de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en el Cinvestav de Saltillo; un estudiante de maestría, que va a trabajar con el sistema niobio-cobre; y una estudiante de doctorado, que es la que va a empezar a explorar el titanio-aluminio”, aseveró.
Agregó que el proyecto está en su fase inicial: “Estamos obteniendo los primeros resultados del rolado. Lo que hemos observado en la revisión bibliográfica es que las propiedades mecánicas de este tipo de materiales han comenzado a ser estudiadas, pero falta establecer su estabilidad térmica”.
El sistema niobio-cobre es el que está siendo más explotado; no obstante, se pretende enfocar el esfuerzo también en titanio y aluminio, e incluso en materiales compuestos de tres metales como titanio-aluminio-niobio, o titanio-aluminio-cobre, aclaró el doctor.
Según García Pastor, este tipo de materiales todavía no van a tener un impacto directo a nivel local. “La industria aeronáutica en México es incipiente, pero está creciendo rápido; a medida que continúe su crecimiento va a requerir este tipo de materiales”, advirtió.
“Esperamos poder publicar algunos resultados a inicios del próximo año y así establecernos como el primer centro en México que trabaja con deformación plástica severa, y en particular con este tipo de nanolaminados de niobio-cobre. A partir de ahí, ya estableciéndonos y teniendo un poco más de nombre, comenzar a interesar a la industria local”, comentó.
¿Por qué procesamiento en estado sólido?
Fundir un material requiere mucho más energía que cuando es deformado en estado sólido; ese es uno de los principales atractivos, explicó el especialista.
Además, “cuando fundimos en el sistema niobio-cobre hay prácticamente cero solubilidad de un elemento en el otro; en el momento en el que el material solidifica, forma una estructura sin una orientación particular. Al hacer esta laminación con materiales separados en estado sólido de niobio y de cobre, podemos tener un material compuesto específico en donde tenemos una dirección definida en la cual dichos elementos no atraviesan esa interface. Si se trabajara a través de fundición, este tipo de interface estaría completamente desordenada y no es tan atractiva para materiales de alta resistencia”, detalló.
El experto destacó que cualquier ingeniero químico metalúrgico, en materiales, mecánico, electromecánico e incluso industrial, que esté interesado en hacer su tesis de ingeniería o cursar maestría o doctorado en el Cinvestav unidad Saltillo, va a encontrarse con el molino de laminación y con algunos equipos novedosos para poder estudiar la deformación de este y otro tipo de materiales, sobre todo en la microescala, es decir, en escalas micrométricas.
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