Materiales cerámicos del sistema Mullita Zirconia Zircón; propiedades mecánicas, de fractura y comportamiento frente al choque térmico

Abstract

Los materiales del sistema Al2O3-SiO2-ZrO2 son de interés tecnológico debido principalmente a sus propiedades térmicas, mecánicas y baja reactividad química. Uno de los comportamientos que limitan el uso de este tipo de materiales es la resistencia al choque térmico. Los mecanismos de fractura y los factores que la influencian no han sido resueltos por completo. Las teorías y modelos clásicos de resistencia al choque térmico, de materiales frágiles o cuasi frágiles, que hoy en día se siguen utilizando tienen más de 50 años en algunos casos. Sumado a esto debido a la complejidad y cantidad de factores que lo influyen es indispensable el ensayo experimental de este comportamiento. Los materiales del sistema Al2O3-SiO2-ZrO2 donde las fases principales son Mullita, Zirconia y Zircón están en estudio, principalmente por la incorporación de la ZrO2 como materia prima debido a su comportamiento termomecánico distintivo, en particular el cambio de volumen asociado a la transformación martensítica de monoclínica a tetragonal del óxido de Zirconio que influyen a nivel microscópico en la integridad de los compositos sinterizados. Si bien la Mullita y el Zircón han sido empleados por años la incorporación de Zirconia es relativamente reciente. Queda claro que estos materiales como todos los materiales son sistemas complejos, cuyas propiedades y comportamientos dependerán de muchos factores asociados al proceso de elaboración. Así que como primera aproximación a la racionalización de los mismos será necesario mantener la mayoría de los factores conocidos invariantes y modificar solo algunos de manera controlada. Los objetivos del presente estudio comprendieron obtener materiales del sistema Mullita Zirconia Zircón en escala de laboratorio. A partir de materias primas comerciales sinterizando, en horno eléctrico, cuerpos conformados por el método de colado de suspensiones acuosas concentradas en moldes de yeso. Se los caracterizó desde el punto de vista de sus propiedades esructurales, texturales, microestructurales, mecánicas, de fractura y en particular siguiendo la variación del módulo de elasticidad que es una técnica de bajo costo, no destructiva, con alta repetitividad se estudió el comportamiento frente al choque térmico de estos compositos encontrándose un comportamiento del tipo frágil. Se diferenció la respuesta frente a la severidad del choque térmico y frente a la fatiga térmica de estos materiales refractarios. Se racionalizaron los principales parámetros de procesamiento a partir de polvos comerciales dichas propiedades y comportamientos. Principalmente se encontraron correlaciones bien definidas entre las propiedades mecánicas y de fractura con respecto a la composición de los compositos. Desde el punto de vista teórico, se calcularon los valores de parámetros teóricos de resistencia al choque térmico de tres teorías clásicas (R, R´´´, y RST), se encontró que la teoría basada en la aproximación termoelástica describió satisfactoriamente la resistencia al choque térmico de los compositos estudiados. Finalmente se propusieron dos parámetros empíricos que se correlacionaron adecuadamente con los comportamientos de los compositos estudiados