NANOCERÁMICAS DE VIDRIO

Dependiendo del tamaño de los cristalitos en relación con la longitud de onda de la luz, las vitrocerámicas pueden diseñarse para ser transparentes (por ejemplo, con cristalitos a nanoescala) u opacas (por ejemplo, con cristalitos a microescala). 

La naturaleza siempre intenta reducir la energía necesaria para que se produzca cualquier reacción o acontecimiento. Teniendo esto en cuenta, es posible jugar con este efecto para dificultar el inicio y la propagación de un proceso determinado. En el caso del vidrio, se trata de la formación y propagación de grietas. Cuando se aplica una carga a un material, éste recibe una gran cantidad de energía, lo que crea una situación en la que el material debe responder a esa energía. Más allá del límite elástico, un material frágil como el vidrio o la cerámica disiparía normalmente esta energía mediante la formación de nuevas superficies, por ejemplo, mediante la formación de grietas.

Los nanocerámicos de vidrio ofrecen una gama versátil de propiedades beneficiosas para mejorar la resistencia a la fractura del vidrio. La presencia física de nanocristalitos ultrafinos y bien dispersos impide la propagación de las grietas.  Esto sucede porque cuando una grieta que se propaga encuentra una interfaz de nanocristal, la grieta debe cambiar su dirección de propagación para moverse alrededor del nanocristal o iniciar una nueva grieta a través de la propia fase de cristalito.  

Sin embargo, cuando el nanocristal es lo suficientemente pequeño como para limitar incluso la formación de un límite de grano dentro de su red cristalina, la probabilidad de que se produzca un punto de falla es aún más limitada. Esta frustración del proceso natural de las cosas crea una barrera energética tan grande que la formación de un camino para la propagación de la grieta, conduce a un escenario energéticamente desfavorable y la fractura se limita o se prohíbe por completo. 

ALTA RESISTENCIA CON MENOS PESO

Para que la propagación de una grieta se limite significativamente alrededor y dentro de un cristal nanocerámico infundido en vidrio (vidrio-nanocerámica), estos fundamentos son esenciales:

• Una dispersión uniforme y densa de los cristales nanocerámicos dentro de la matriz de vidrio es crucial.

• Los cristales nanocerámicos deben tener una dimensión muy inferior a 20 nm para minimizar o evitar la formación de límites de grano en su interior.

• La composición de los cristales de nanocerámica debe conferir al vidrio una funcionalidad versátil, por ejemplo, propiedades químicas, ópticas y eléctricas, que le ayuden a obtener y mantener su durabilidad.

Uno de los principales retos que se plantean durante la preparación de nanocompuestos de matriz vitrocerámica es la capacidad de lograr una dispersión homogénea de los nanocristales que los componen.  La aglomeración de grumos micrométricos, en particular de nanopartículas de gran tamaño (a menudo > 30 nm de tamaño) utilizadas en cargas pesadas, tiende a generar efectos adversos en las propiedades térmicas y mecánicas del vidrio, ya que un menor número de partículas de refuerzo están presentes en otras áreas y los agregados pueden actuar como centros de defectos, que pueden actuar como iniciadores de grietas que conducen al fallo estructural del compuesto de vidrio.

EL CONTROL DEL TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS DE NANOCERÁMICA IMPORTA

Al reducir el tamaño de las partículas nanocerámicas por debajo de los 20 nm, se puede influir en el número de dislocaciones apiladas en un límite de grano y aumentar el límite elástico de una nanocerámica, es decir, la tensión máxima que tolera el cristal nanocerámico antes de que comience la deformación. 

Si se distribuye una cantidad significativa de éstas dentro de una matriz de vidrio, se obtiene una alta densidad de sitios de refuerzo, dentro de una matriz de vidrio. Esto es fácil con las partículas nanocerámicas ultrafinas, porque el número medio de ellas presentes en una unidad de volumen de material aumenta exponencialmente, a medida que se reduce el tamaño de la partícula. Por ejemplo, una partícula cerámica de tamaño 1 um puede sustituirse por unas mil partículas nanocerámicas de tamaño 1 nm. Esto implica que, con menos volumen y masa, se puede conseguir una distribución de mayor densidad de partículas nanocerámicas dentro de una matriz de vidrio, a una dosis significativamente menor que la obtenida con partículas micronizadas o incluso mayores (> 20 nm).

CRISTAL QUÍMICAMENTE NANOTEMPLADO

La fractura del vidrio tiene inevitablemente su origen en la nanoescala (es decir, la rotura de la unión). El templado químico es un método muy eficaz para mejorar la resistencia mediante la incorporación de una elevada tensión de compresión en las superficies del vidrio. Se puede lograr un diseño topológicamente optimizado del vidrio a escala nanométrica, utilizando nanocristales de cerámica de composición variable, en combinación con las ventajas de las dimensiones de los cristales de nanocerámica, para permitir que la energía aplicada a una superficie de vidrio se disipe mediante la densificación localizada alrededor de un indentador, en lugar de a través de la formación de grietas dentro del propio vidrio.

Gracias a su experiencia en el diseño y la fabricación de cristales nanocerámicos de tamaño inferior a 20 nm, NANOARC está bien posicionada para ayudar a la industria del vidrio a superar sus límites de rendimiento en términos de durabilidad química y estructural. Al estar en el negocio del nanopolimorfismo como parte de nuestro proceso de diseño de nanomateriales, hacemos posible que los fabricantes adopten nuestros productos sin problemas, sin preocupaciones de compatibilidad química.