Deformación plástica a alta temperatura de carburo de boro micro y nano-estructurado y materiales compuestos basados en éste preparados mediante sinterizado por chispa de plasma (SPS): experimentos y modelización

Falta resumen y palabras claveDeformación plástica a alta temperatua de carburo de boro microy nanoestructurado y materiales compuestos basados en éste preparados mediante sinterizado por chispa de plasma (SPS): experimentos y modelización. Palabras clave: carburo de boro, deformación plástica, resistencia a la fractura, fluencia a alta temperatura, interacción dislocación-macla. La tesis recogida bajo y este epígrafe, desarrollada y defendida por Bibi Malmal Moshtaghion, pretende encontrar la razón última de las extraordinarias propiedades mecánicas del carburo de boro policristalino. Este material es el tercero más duro de la naturaleza, junto con el diamante y la fase cúbica del nitruro de boro. Junto a ello, tiene una estructura cristalográfica muy singular, consistente en icosaedros de boro y carbono unidos por enlaces carbono-boro. Pese a las atractivas propiedades mecánicas de este material, sólo existen en la literatura estudios parciales, porque la preparación de muestras densas de carburo de boro es una tarea difícil. Ello se debe a que los procesos de difusión en un material altamente covalente tienen una probabilidad baja. Ello siempre ha restringido las temperaturas de sinterización de este cerámico a valores tan altos como 2000ºC, con lo que los tamaños de grano del material superan la micra y su posible plasticidad es muy restringida. Por el contrario, para rebajar la altísima temperatura de sinterizado, se recurría a la adición de otras fases, de naturaleza vítrea ordinariamente, que degradaban las buenas prestaciones mecánicas. Por primera vez, doña Bibi Malmal Moshtaghion ha encontrado un procedimiento para fabricar piezas con densidad teórica de carburo de boro mediante sinterización por chispa de plasma. En esta técnica, se hace pasar una corriente eléctrica de intensidad elevada a un molde de grafito que actúa como contenedor del polvo de carburo de boro. Merced al efecto Joule, el molde se calienta; por ende lo hace el polvo de carburo de boro y en virtud a la fuerza motriz que ejerce el campo eléctrico creado en las juntas de grano, la sinterización cerámica se acelera de forma destacada. Un aspecto esencial de este proceso es la necesidad de ser realizado en dos etapas, pues antes de sinterizar la pieza es necesario eliminar la fase residual de boria creada por oxidación parcial. Para ello, es necesario recocer la muestra en la atmósfera empobrecida en oxígeno del horno SPS durante unos minutos a 1200ºC, cuando la fase boria se evapora. Las muestras monolíticas y completamente densas pueden fabricarse así a 1600ºC, temperatura que es sensiblemente más baja que la usada tradicionalmente. Más espectacular es el hecho de que pueden conseguirse muestras con tamaños de grano tan pequeños como 150 nanometros, y se puede cubrir todo el intervalo entre dicho valor y las 20 micras. Las muestras así fabricadas fueron ensayadas a temperatura ambiente mediante indentaciones Vickers para medir su dureza y su tenacidad. La doctoranda realizó este estudio durante una estancia de tres meses en la Universidad de Oxford, Reino Unido. Como consecuencia de ello, ha determinado la dependencia de dichas magnitudes con el tamaño de grano de las muestras. Análogamente, la doctoranda determinó la resistencia al desgaste en función del tamaño de grano en la citada Universidad británica. Como principal logro de esta parte de su trabajo cabe destacar la determinación del modo de fractura dominante en función del tamaño de grano. Un aspecto central de esta tesis es el estudio de la plasticidad a alta temperatura. Del estudio del modo de deformación entre 1600ºC y 1800ºC, se han podido inferir conclusiones de muy alta relevancia, a saber: 1-La deformación plástica de este material no sigue la ley de potencia convencionalmente adoptada en la literatura, sino una ley de seno hiperbólico en el que temperatura y tensión aparecen acopladas. La ecuación constitutiva modelada por la doctoranda justifica de manera notable los resultados experimentales de tensión, velocidad de deformación y temperaturas. 2-El mecanismo de deformación consiste básicamente en un proceso de activación térmica del movimiento de dislocaciones, fuertemente limitado por la presencia de maclas. Es la interacción dislocación-macla la responsable de la extraordinaria resistencia a la fluencia de este material. 3-El mecanismo de acoplo macla-dislocación se debilita al aumentar el tamaño medio de grano, de tal suerte que, a partir de 5 micras es completamente desdeñable. 5-El carburo de boro es un caso singular de cerámico en el que se activan mecanismos similares a los puestos en juegos en los llamados aceros TWIP (twin-induced plasticity). Es un caso singular de cerámico en el que conviven propiedades típicas de aleaciones metálicas

Elusive super-hard B6C accessible through the laser-floating zone method

Boron carbide is among the most promising ceramic materials nowadays: their mechanical properties are outstanding, and they open potential critical applications in near future. Since sinterability is the most critical drawback to this goal, innovative and competitive sintering procedures are attractive research topics in the science and technology of this carbide. This work reports the pioneer use of the laser-floating zone technique with this carbide. Crystallographic, microstructural and mechanical characterization of the so-prepared samples is carefully analysed. One unexpected output is the fabrication of a B6C composite when critical conditions of growth rate are adopted. Since this is one of the hardest materials in Nature and it is achievable only under extremely high pressures and temperatures in hot-pressing, the use of this technique offers a promising alternative for the fabrication. Hardness and elastic modulus of this material reached to 52 GPa and 600 GPa respectively, which is close to theoretical predictions reported in literature.Ministerio de Economía y Competitividad (Government of Spain) and FEDER Funds under Grants Nos MAT2015-71411-R and MAT2016-77769-

Directionally solidified cobalt-doped MgO-MgAl2O4 eutectic composites for selective emitters

Cobalt-doped MgO-MgAl2O4 eutectic composites were explored for their use as selective emitters for thermophotovoltaic devices. Eutectic ceramic rods with different cobalt content were directionally solidified by using the laser floating zone technique at two processing rates to obtain microstructures with different domain sizes. Thermal emission between 1000 °C and 1500 °C and optical properties (reflectance and transmittance) at room temperature were measured in the Co-doped composites and the effect on microstructure and cobalt content was investigated. Thermal emission consisted of an intense broad band at about 1.67 µm matching with the bandgap of the InGaAs cell. The emission was ascribed to the de-excitation from the 4T1(F) multiplet to the 4A2(F) ground state of the thermally excited Co ions located in the tetrahedral sites of the MgAl2O4 phase. The selectivity of the thermal emission showed a decrease with the cobalt content due to the enhancement of other electronic transitions, which leads to keeping the cobalt content in these composites at low levels (<0.15% at Co) for their use as selective emitters

Quantifying structural disorder in spinels by X-ray diffractometry through constrained–restrained Rietveld refinements

Accurate determination of the structural disorder (i.e., cation misplacement, anionic and cationic vacancies, and reduced cations) of spinels is crucial to understanding the properties of this technologically attractive sub-family of ceramics, but it is very difficult to do in practice. Here, constrained–restrained Rietveld refinements of the experimentally measured X-ray diffraction patterns are proposed to tackle the challenging quantification of the structural disorder in spinels. First, it is demonstrated that the constraints–restraints to be imposed during the Rietveld refinements can be formulated by mathematical modelling through the linear inverse problem whose framework is first presented generically and then particularised to the different types of possible normal, inverse, and mixed spinels, namely, stoichiometric perfect spinels, stoichiometric and non-stoichiometric imperfect spinels, and non-stoichiometric imperfect spinels with oxidation state changes. And second, by way of example this type of constrained–restrained Rietveld refinement is successfully applied to the experimental quantification of the structural disorder in two custom-made spinels (i.e., zinc-ferrite and nickel-ferrite spinels).Ministerio de Ciencia e Innovación PID2019- 103847RJ-I00Junta de Andalucía P18-RTJ-1972Junta de Extremadura IB20017, GR2117

Processing of ZrB2 tribo-ceramics by reactive spark plasma sintering of ZrH2+2B subjected to high-energy pre-ball-milling

The reactive spark plasma sintering (RSPS) of monolithic ZrB2 ceramics from ZrH2+2B powder mixtures subjected to shaker pre-milling was investigated, and compared with other three sintering approaches. It was found that RSPS is optimal at 1850 °C, which results in fully-dense ZrB2 ceramics with ∼20 GPa hardness. Comparatively, at 1850 °C RSPS from the simply-mixed ZrH2+2B powder mixture, SPS from the commercial ZrB2 powder, and SPS from the shaker-milled ZrB2 powder result in non-dense (76.7–86.7%) and softer (6.0–11.8 GPa) ZrB2 ceramics. Furthermore, the optimally RSPS-ed ZrB2 ceramic was subjected to unlubricated sliding-wear tests against diamond under 40 N load for 1000 m of sliding, demonstrating that it is a promising tribo-ceramic that only undergoes mild tribo-oxidative wear at 10–8 mm3/(N·m) in the form of a slight plasticity-dominated two-body abrasion with eventual formation and partial loss of a self-lubricating and protective oxide tribolayer.Ministerio de Ciencia e Innovación PID2019- 103847RJ-I00Junta de Andalucía P18-RTJ-1972Junta de Extremadura IB20017, GR2117

Flash sintering can induce an anisotropic microstructure in ceramics. A phase field modeling insight

Field-assisted sintering techniques are at the forefront of advanced energy-saving procedures to create fully dense ceramic materials. At present, there is an extraordinary interest in understanding the sintering process and effectively controlling the final specimen’s microstructure. This latter aspect is critical, but unfortunately, the short sintering times and intense electric fields under non-equilibrium conditions prevent a rigorous prediction in most cases. This paper is a theoretical contribution to gain insight into an outstanding effect of applying intense electric fields: the formation of non-spherical grain structures. A phase field simulation approach has been carried out to reproduce and determine the origin of this effect. The final simulated microstructures are proved to be textured. These results are explained in the framework of a recent model and compared with experimental evidence reported in the literature.MCIN/AEI/10.13039/501100011033 PID2019-103847- RJ-10