La nanocerámica es un material cerámico nanoestructurado (ing. nanocerámica), un material compacto a base de óxidos, carburos, nitruros, boruros y otros compuestos inorgánicos, que consiste en cristalitos (granos) con un tamaño promedio de hasta 100 nm [1] .
El trabajo en nanocerámica comenzó en la década de 1980. Este material inorgánico no metálico se caracteriza por una alta resistencia al calor y tiene otras propiedades útiles que le permiten ser utilizado, por ejemplo, en electrónica, medicina, energía térmica y nuclear [2] .
Las nanocerámicas se producen normalmente a partir de polvos nanométricos mediante técnicas de moldeo y sinterización . Dado que, debido a la alta fricción interna, los nanopolvos son más difíciles de compactar, a menudo se utilizan métodos de prensado hidrostático e impulso , moldeo por deslizamiento y gel, y la hidroextrusión para su formación . Las nanocerámicas se fabricaron primero mediante el proceso sol-gel, una forma de precipitación química de una solución, en el que las nanopartículas en solución y gel se mezclan para formar nanocerámicas. En la década de 2000, los procesos de fabricación comenzaron a utilizar calor y presión en el proceso de sinterización. El proceso incluye varios pasos principales: hacer una mezcla de polvo a partir de una mezcla de polvo y plastificantes para formar un material, formar una pieza de trabajo, secar y calcinar la preforma, procesar el producto resultante (tratamiento mecánico, térmico y metalización). El método de preparación a menudo puede ser un factor determinante en la formación de partículas de nanocerámica y sus propiedades: por ejemplo, la combustión de magnesio en oxígeno da lugar a cubos y placas hexagonales, mientras que la descomposición térmica del hidróxido de magnesio da lugar a partículas de forma irregular, que a menudo resultan en placas. en forma hexagonal [2] . En algunas aplicaciones, una corriente eléctrica pulsada ha resultado útil en un proceso de sinterización de dos pasos para cerámicas transparentes a base de alúmina [3] . Las propiedades del material resultante dependen en gran medida de las características de los nanopolvos utilizados, principalmente del tamaño de partícula, su polidispersidad y pureza (contenido de impurezas). [cuatro]
Una de las áreas prioritarias para la creación de nuevos nanomateriales con propiedades funcionales específicas es la búsqueda de soluciones tecnológicas fundamentalmente nuevas y de mejora de las existentes en el campo de la síntesis química de nanopolvos y su posterior fijación en un sólido. La nanocerámica suele ser el crecimiento intensivo del grano durante la sinterización en condiciones normales. Para prevenirlo, se utilizan dos métodos principales:
Las propiedades sensibles a la estructura de las nanocerámicas pueden diferir significativamente de las de las cerámicas convencionales de tamaño micrométrico . En este caso, es posible mejorar las propiedades mecánicas ( Al 2 O 3 ), eléctricas (Y: ZrO 2 ), ópticas (Nd: Y 2 O 3 ), sin embargo, la naturaleza del cambio en las propiedades con el tamaño de grano es muy individual y depende tanto de la naturaleza física de la propiedad en estudio, como de las características fisicoquímicas de la cerámica utilizada.
También se está investigando la tecnología de consolidación eléctrica, cuando el material se compacta no solo bajo la influencia de alta presión, sino también bajo la influencia de una fuerte corriente alterna. El nuevo método permite reducir la porosidad residual y los defectos de contorno, aumentar la densidad y la resistencia del nanomaterial [5] .
Una de las áreas prometedoras de aplicación de la nanocerámica es la creación de superficies con propiedades específicas sobre los materiales tradicionales. Por ejemplo, para reducir la reacción biológica al material de un implante de titanio, se crea una capa de nanotubos de dióxido de titanio en su superficie mediante anodización, lo que reduce la adsorción de proteínas, así como la adhesión y diferenciación celular. El resultado es un mayor éxito clínico. En otro caso, un recubrimiento biocerámico imparte propiedades antibacterianas a la superficie. Los métodos de proyección térmica de partículas nanocerámicas pueden aumentar significativamente la dureza de superficies de materiales amorfos [6] .
Con el apoyo de JSC "Rosnano" en Rusia, hay dos empresas que producen productos de nanocerámica: JSC NEVZ-Ceramics (separada de JSC " NEVZ-Soyuz ") [7] y LLC "Virial" [8] .
Los nanopolvos se caracterizan por una formabilidad y compresibilidad deficientes debido a las características específicas de sus propiedades fisicoquímicas: aglomeración, alta fricción entre partículas y cerca de la pared debido a la alta superficie específica. Por lo tanto, en Rusia, los polvos de nanocerámica no se usan en forma pura, sino solo como un aditivo para una pieza de trabajo de cerámica convencional, que adquiere una mayor densidad durante la compactación ultrasónica, lo que significa que el producto será mucho más fuerte. Con esta tecnología, no hay necesidad de agregar un plastificante [9] .
Los aisladores cerámicos están destinados como material aislante para cámaras de arco de vacío, que están diseñadas para completar dispositivos de conmutación de vacío .
Los aisladores se utilizan como material aislante eléctrico para dispositivos de visión nocturna consumidos por el mercado militar. El elemento principal de un dispositivo de visión nocturna es un tubo intensificador de imagen (CI), que amplifica la luz y, además, convierte la luz infrarroja en luz visible.
Cerámica blindadaLos productos hechos de cerámica blindada se utilizan para proteger equipos especiales y personal de armas pequeñas automáticas con la capacidad de brindar protección hasta la clase 6a. En interés del Ministerio de Defensa de Rusia , en los últimos 2 años, NEVZ-Soyuz Holding Company, por iniciativa propia, ha desarrollado y dominado la producción de una gama detallada de productos: 7 tipos, 32 tamaños de cerámica blindada ( placas de blindaje planas y radiales rectangulares con dimensiones de 50 × 50 mm y 100 × 100 mm en el rango de espesores de 6-12 mm, rodillos blindados en el rango de diámetros de 13-29 mm y un rango de alturas de 11-24 mm, hexágonos en el rango de “tamaños llave en mano” de 20-40 mm y un rango de espesor de 6-40 mm), de los cuales:
Se están desarrollando y probando varios elementos de cerámica blindada con propiedades de absorción de radio para proteger a los barcos de la Marina de los fragmentos de alta velocidad de los misiles antibuque y de la detección por parte de los cabezales de guía en el rango de microondas [10] .
Sustratos cerámicos para dispositivos semiconductoresLos sustratos cerámicos se producen a base de alúmina ( contenido de Al 2 O 3 superior al 94%) o cerámicas de nitruro de aluminio AlN , que están diseñadas para el aislamiento eléctrico de estructuras, conjuntos y elementos de diversos dispositivos electrónicos. La cerámica utilizada para los sustratos es no higroscópica , resistente al calor , es un material aislante con altas propiedades mecánicas y eléctricas, se distingue por una tecnología de fabricación comparativamente simple y de bajo costo. La resistencia mecánica en compresión, tensión, flexión es suficiente para el uso práctico. Para mejorar la conductividad térmica, la resistividad eléctrica y las características de resistencia de los sustratos cerámicos, se introducen nanopolvos de Al 2 O 3 y AlN modificados y nanofibras de Al 2 O 3 de refuerzo en la composición de la composición cerámica. El sustrato cerámico realiza dos funciones principales:
Áreas de uso:
Los productos hechos de biocerámica se utilizan para el tratamiento quirúrgico de lesiones y enfermedades de la columna vertebral , articulación de la cadera, tratamiento de enfermedades dentales.
Las áreas de aplicación más prometedoras de las válvulas que utilizan elementos cerámicos son:
Una ventaja especial de los elementos cerámicos utilizados en la ingeniería de válvulas es que pueden integrarse en válvulas fabricadas en serie sin cambios fundamentales en el diseño de válvulas de bola y estranguladores, al tiempo que obtienen un aumento significativo en la durabilidad y un aumento en la clase de válvulas.
Las ventajas de las válvulas de cierre que utilizan conjuntos de válvula de cerámica técnica empotrados en un cuerpo metálico son las siguientes: