Desarrollan un metal compuesto ultra resistente y ligero que soporta altas temperaturas

Investigadores de la Universidad de Toronto desarrollaron un nuevo material compuesto que combina ligereza y resistencia, capaz de soportar temperaturas de hasta 500 °C. Este avance, publicado en la revista Nature Communications, podría tener un impacto significativo en la industria aeroespacial y otras aplicaciones de alto rendimiento.

El material se compone de diversas aleaciones metálicas y precipitados a escala nanométrica, con una estructura que imita la del concreto reforzado, pero a nivel microscópico. Según el autor principal del estudio, Yu Zou, profesor asociado en el departamento de ciencia de materiales e ingeniería de la facultad de Ciencias Aplicadas y Ingeniería de la U de T, "el acero de refuerzo se utiliza ampliamente en la construcción para mejorar la resistencia estructural del concreto en edificios y otras grandes estructuras".

El uso de técnicas modernas como la fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D de metales, permitió a los investigadores replicar esta estructura en forma de un compuesto de matriz metálica. "Este enfoque nos proporciona nuevos materiales con propiedades que nunca antes habíamos visto", agregó Zou.

Importancia de los materiales ligeros en la industria aeroespacial

Aunque el acero sigue siendo el material estructural principal en trenes y automóviles, el aluminio ofrece ventajas en aviones debido a su menor peso. La reducción de peso, o "lightweighting", implica disminuir el peso de los componentes mientras se mantiene su resistencia, lo que significa que se necesita menos energía para mover el vehículo, mejorando así la eficiencia del combustible. Esto es especialmente crucial en la industria aeroespacial, donde cada gramo cuenta.

Sin embargo, los componentes de aluminio han presentado problemas de degradación del rendimiento a altas temperaturas, como explicó Chenwei Shao, investigador asociado en el laboratorio de Zou y autor principal del nuevo artículo. "Hasta ahora, los componentes de aluminio se han visto afectados por la degradación del rendimiento a altas temperaturas. Cuanto más caliente se vuelven, más blandos se vuelven, lo que los hace inadecuados para muchas aplicaciones".

Fabricación del nuevo material compuesto

Para superar este problema, el equipo buscó construir un compuesto de varios metales que tuviera la misma estructura que el concreto reforzado: una malla compuesta de varillas de acero, rodeada por una matriz de cemento, arena y agregado. "En nuestro material, el 'refuerzo' es una malla hecha de estratos de aleación de titanio", explicó Shao. "Utilizamos una forma de fabricación aditiva en la que disparamos láseres a polvos metálicos para calentarlos hasta convertirlos en metal sólido, lo que nos permite hacer esta malla del tamaño que deseemos. Los estratos pueden ser tan pequeños como 0.2 milímetros de diámetro".

Para llenar los espacios entre estos estratos, el equipo utilizó una técnica conocida como microfundición para crear una matriz de otros elementos como aluminio, silicio y magnesio, que actúa como el cemento que mantiene todo unido. Además, se proporciona mayor resistencia mediante partículas de alúmina y nanoprecipitados de silicio incrustados en la matriz de 'cemento', similares a la grava o agregado que se encuentra en el concreto.

Pruebas y rendimiento a altas temperaturas

El equipo sometió su nuevo material a una variedad de pruebas para determinar su resistencia. "A temperatura ambiente, la máxima resistencia que obtuvimos fue de alrededor de 700 megapascales; una matriz de aluminio típica sería más bien de 100 a 150 megapascales", comentó Shao. "Pero donde realmente brilla es a alta temperatura. A 500 °C, tiene una resistencia de 300 a 400 megapascales, en comparación con aproximadamente cinco megapascales para una matriz de aluminio tradicional".

La capacidad del material para resistir la degradación a altas temperaturas fue sorprendente, por lo que el equipo construyó modelos computacionales detallados para entender los mecanismos subyacentes. "Lo que encontramos fue que a altas temperaturas, este material compuesto se deforma a través de un mecanismo diferente al de la mayoría de los metales", dijo Huicong Chen, coautor del estudio que lideró las simulaciones por computadora. "Llamamos a este nuevo mecanismo 'gemación mejorada', y permite que el material mantenga gran parte de su resistencia, incluso cuando se calienta mucho".

Perspectivas para aplicaciones industriales

Zou afirmó que, aunque puede pasar un tiempo antes de que la industria comience a utilizar el nuevo material, su descubrimiento subraya las ventajas de las técnicas emergentes, como la fabricación aditiva. "No habríamos podido crear este material de ninguna otra manera", concluyó. "Es cierto que todavía cuesta mucho crear materiales como este a gran escala, pero hay algunas aplicaciones donde el alto rendimiento valdrá la pena. A medida que más empresas inviertan en tecnologías de fabricación avanzada, eventualmente veremos que los costos disminuyen. Creemos que este es un paso emocionante hacia vehículos más fuertes, ligeros y eficientes".