Análisis TEM y STEM-HAADF de la muestra HFC17 sintetizada a 1700 ° C usando el método SLRP. Crédito: Revista de la American Ceramic Society (2025). Doi: 10.1111/jace.20650
Los investigadores han demostrado una nueva técnica que utiliza láseres para crear cerámicas que pueden soportar temperaturas ultra altas, con aplicaciones que van desde tecnologías de energía nuclear hasta naves espaciales y sistemas de escape de chorro.
La técnica se puede utilizar para crear recubrimientos de cerámica, azulejos o estructuras tridimensionales complejas, lo que permite una mayor versatilidad cuando diseñan nuevos dispositivos y tecnologías.
El documento, “Síntesis de carburo de Hafnium (HFC) a través de una pirólisis de reacción láser selectiva de un solo paso del precursor de polímeros líquidos”, se publica en el Journal of the American Ceramic Society.
“La sinterización es el proceso por el cual las materias primas, ya sea polvos o líquidos, se convierten en un material cerámico”, dice Cheryl Xu, autora de un artículo sobre esta investigación y profesora de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
“Para este trabajo, nos centramos en una cerámica de temperatura ultra alta llamada carburo de Hafnium (HFC). Tradicionalmente, la sinterización de HFC requiere colocar las materias primas en un horno que puede alcanzar temperaturas de al menos 2.200 grados Celsius, un proceso que requiere tiempo e intensivo en el tiempo.
“Nuestra técnica es más rápida, más fácil y requiere menos energía”.
La nueva técnica funciona aplicando un láser de 120 vatios a la superficie de un precursor de polímero líquido en un entorno inerte, como una cámara de vacío o una cámara llena de argón. El láser sinteriza el líquido, convirtiéndolo en una cerámica sólida. Esto se puede usar de dos maneras diferentes.
Primero, el precursor líquido se puede aplicar como un recubrimiento a una estructura subyacente, como los compuestos de carbono utilizados en tecnologías hipersónicas como misiles y vehículos de exploración espacial. El precursor se puede aplicar a la superficie de la estructura y luego sinterizado con el láser.
“Debido a que el proceso de sinterización no requiere exponer la estructura completa al calor del horno, la nueva técnica es prometedora para permitirnos aplicar recubrimientos de cerámica ultra a la alta temperatura a los materiales que pueden dañarse por la sinterización en un horno”, dice Xu.
La segunda forma en que los ingenieros pueden hacer uso de la nueva técnica de sinterización implica la fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D. Específicamente, el método de sinterización láser se puede usar junto con una técnica que es similar a la estereolitografía.
En esta técnica, un láser está montado en una mesa que se encuentra en un baño del precursor líquido. Para crear una estructura tridimensional, los investigadores crean un diseño digital de la estructura y luego “cortan” esa estructura en capas. Para comenzar, el láser dibuja el perfil de la primera capa de la estructura en el polímero, llenando el perfil como si se coloree en una imagen.
Como el láser “llena” esta área, la energía térmica convierte el polímero líquido en cerámica. La mesa luego baja un poco más en el baño de polímeros, y una cuchilla se extiende por la parte superior para igualar la superficie. El láser luego sinteriza la segunda capa de la estructura, y este proceso se repite hasta que tenga un producto terminado hecho de la cerámica sinterizada.
“En realidad, es un poco simplificación decir que el láser solo está sinterizando el precursor líquido”, dice Xu. “Es más exacto decir que el láser primero convierte el polímero líquido en un polímero sólido y luego convierte el polímero sólido en una cerámica. Sin embargo, todo esto sucede muy rápidamente, es esencialmente un proceso de un solo paso”.
En las pruebas de prueba de concepto, los investigadores demostraron que la técnica de sinterización láser produjo HFC cristalino y puro de fase de un precursor de polímero líquido.
“Esta es la primera vez que sabemos dónde alguien pudo crear HFC de esta calidad a partir de un precursor de polímero líquido”, dice Xu. “Y la cerámica de temperatura ultra alta, como su nombre indica, son útiles para una amplia gama de aplicaciones donde las tecnologías deben soportar temperaturas extremas, como la producción de energía nuclear”.
Los investigadores también demostraron que la sinterización de láser podría usarse para crear recubrimientos HFC de alta calidad de compuestos de carbono reforzados con fibra de carbono (C/C). Básicamente, el revestimiento de cerámica se unió a la estructura subyacente y no se despegó.
“Los recubrimientos HFC en sustratos C/C demostraron una fuerte adhesión, cobertura uniforme y potencial para su uso como protección térmica y una capa resistente a la oxidación”, dice Xu.
“Esto es particularmente útil porque, además de aplicaciones hipersónicas, las estructuras de carbono/carbono se usan en boquillas de cohetes, discos de frenos y sistemas de protección térmica aeroespacial, como conos de nariz y bordes de ala”.
La nueva técnica de sinterización láser también es significativamente más eficiente que la sinterización convencional de varias maneras.
“Nuestra técnica nos permite crear estructuras de cerámica y recubrimientos de ultra alta temperatura en segundos o minutos, mientras que las técnicas convencionales llevan horas o días”, dice Xu.
“Y debido a que la sinterización con láser es más rápida y altamente localizada, utiliza significativamente menos energía. Además, nuestro enfoque produce un mayor rendimiento. Específicamente, la sinterización de láser convierte al menos el 50% de la masa precursora en cerámica.
“Por último, nuestra técnica es relativamente portátil”, dice Xu. “Sí, debe hacerse en un entorno inerte, pero transportar una cámara de vacío y equipos de fabricación aditivos es mucho más fácil que transportar un horno potente a gran escala.
“Estamos entusiasmados con este avance en la cerámica y estamos abiertos a trabajar con socios públicos y privados para hacer la transición de esta tecnología para su uso en aplicaciones prácticas”, dice Xu.
Más información: Shalini Rajpoot et al, Síntesis de carburo de Hafnium (HFC) a través de la pirólisis de reacción láser selectiva de un paso a partir de precursores de polímeros líquidos, Journal of the American Ceramic Society (2025). Doi: 10.1111/jace.20650
Proporcionado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte
Cita: la técnica láser mejora la fabricación de cerámica de ultra alta temperatura para aplicaciones espaciales y de defensa (2025, 29 de mayo) recuperó el 29 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-laser-technique-ultra-high-temperature.html
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