Obtener cerámicas de forma sencilla y económica con nanotubos de carbono

Un grupo del Instituto de Cerámica y Vidrio del CSIC ha desarrollado y patentado un procedimiento para la obtención de materiales compuestos densos y homogéneos de nitruro de silicio que contienen hasta un 10% en volumen de nanotubos de carbono. Con este método, obtenido por los investigadores Manuel Belmonte, Jesús González, Pilar Miranzo e Isabel Osendi, se consigue simplificar y reducir los costes de los métodos actuales.

Principales ventajas

El nitruro de silicio es una de las cerámicas más usadas en herramientas de corte o en componentes que sean sometidos a altas temperaturas y procesos de desgaste. La incorporación de nanotubos de carbono al nitruro de silicio añade la ventaja de mejorar la resistencia del material al desgaste y a la fricción, dando lugar a materiales compuestos autolubricados que permiten reducir el lubricante exterior necesario, ya que el propio carbono actúa como tal. También se podrían mejorar las propiedades mecánicas, como por ejemplo la resistencia a la propagación de grieta, aunque éste es un aspecto en el que los investigadores están aún trabajando.

Obtener un material compuesto de cualquier material conteniendo nanotubos de carbono no es fácil y requiere aditivos y pasos posteriores de purificación. Uno de los principales problemas es conseguir una buena dispersión de los nanotubos dentro del material matriz. Una deficiente dispersión de los nanotubos da lugar a la formación de aglomerados y defectos en el material compuesto, y una disminución de las propiedades del material. Para evitarlo, se necesita añadir agentes dispersantes orgánicos pero esto supone introducir impurezas en el material que después hay que eliminar.

El método desarrollado por los investigadores se basa en la dispersión de cada uno de los componentes individualmente, así como de su mezcla, de forma se evita el uso de agentes dispersantes, la introducción de impurezas y el proceso posterior de calcinación para eliminarlas.

Otra de las ventajas del método es que permite evitar la degradación de los nanotubos de carbono durante el proceso de sinterización. Este tratamiento térmico, aplicado para transformar el material en polvo en un compacto denso, se realizaba hasta no hace mucho en hornos que requieren elevadas temperaturas (por encima de 1.750 °C) durante varias horas para densificar el nitruro de silicio. Pero estas temperaturas durante tanto tiempo degradarían los nanotubos. En cambio, los investigadores han empleado la tecnología de sinterización mediante descarga eléctrica que permite alcanzar velocidades de calentamiento muy elevadas desarrollando lo que técnicamente se denomina 'rampas de calentamiento' muy precisas (decreciendo la velocidad desde 133 °C·min-1 hasta 25 °C·min-1 y empleando temperaturas máximas entre 1.550 y 1.650 °C). De esta forma, se obtiene el material compuesto en pocos minutos y con un mayor control de la temperatura durante el proceso, indispensable para evitar la degradación de los nanotubos.

El material resultante puede ser utilizado en aplicaciones tecnológicas que requieran un buen comportamiento termomecánico y tribológico, por ejemplo, válvulas de motores diésel, componentes resistentes al choque térmico, cojinetes o herramientas de corte.

¿Qué son los nanotubos de carbono?

Los nanotubos de carbono (CNT) son estructuras tubulares de dimensiones nanométricas (10^-9m) formadas por carbono. Debido a sus dimensiones y estructura los nanotubos presentan una serie de propiedades particulares que han llamado la atención de los investigadores desde su descubrimiento en 1991.

El interés actual en los CNT se centra en el amplio abanico de sus aplicaciones industriales basadas principalmente en su elevada superficie específica y en sus propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas, que además pueden ser controladas en función de los parámetros de la estructura (diámetro y ‘ángulo de enrollamiento’). Dadas las interesantes propiedades de los CNT hay un sinfín de aplicaciones industriales en las cuales se está investigando y donde podrán ser utilizados, como en electrónica, sensores, instrumentación científica, materiales, biotecnología y química, energía y mecánica, entre otras, originando cambios muy significativos en los procesos productivos y en la gama de productos a contemplar.