B O L E T Í N DE LA S O C I E D A D E S P A Ñ O L A DE

Cerámica y Vidrio A R T I C U L O

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Fabricación de materiales cerámicos compuestos con refuerzos de tejidos de fibras de carburo de silicio usando deposición electroforética

A. R. BOCCACCINI, D. N. BOCCACCINI^ C. B. PONTON^ School of Metallurgy and Materials. University of Birmingham. Birmingham B15 2TT, Reino Unido

' Universidad Tecnológica Nacional, FR San Rafael, 5600 San Rafael, Argentina

^ IRC in Materials for High Perfomance Applications. University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, Reino Unido

Se presentan resultados de la aplicación de una nueva y económica técnica de procesamiento para la fabricación de materiales com­puestos de matriz cerámica (MCCs) con refuerzo de fibras continuas en forma de tejidos. La técnica se basa en la deposición elec­troforética (DEF) de partículas cerámicas (soles) dentro y sobre el tejido de fibras con el objeto de conseguir la impregnación nece­saria y así permitir la fabricación de cuerpos «verdes» de alta calidad, aptos para ser densificados a altas temperaturas. Los mate­riales considerados comprenden matrices cerámicas de mullita y alumina y tejido plano de fibras de carburo de silicio del tipo Nicalon como elemento de refuerzo. Los resultados a escala de laboratorio indican que esta técnica ofrece un gran potencial para fabricar productos compuestos con baja porosidad con matrices cerámicas oxidas de dos o más componentes para aplicaciones estructurales a alta temperatura.

Palabras clave: materiales compuestos de matriz cerámica, deposición electroforética, re^orzamiento hidimensional, procesamiento coloidal, mullita.

Manufacturing of ceramic matrix composites with woven SiC fibre by electrophoretic deposition

In this report results on the application of a novel, cost-effective processing technique for manufacturing ceramic-matrix composites (CMCs) containing two-dimensional woven fiber reinforcement are presented. The technique relies on the electrophoretic deposi­tion (EPD) of ceramic sols on/into the fiber preforms to achieve the required impregnation and thus to allow fabrication of «green» bodies of high quality suitable for the manufacturing of ceramic composites. The materials considered are mullite and alumina matrices reinforced with SiC- woven fibre mats of Nicalon type. The laboratory-scale results achieved indicate that the processing approach offers great potential for the manufacture of high-quality, composite products with dual-component oxide matrices for high temperature structural applications.

Key words: ceramic matrix composites, electrophoretic deposition, bidimensional reinforcement, colloidal processing, mullite.

1. INTRODUCCIÓN

Existen actualmente importantes esfuerzos de investigación y desarrollo en el campo de los materiales compuestos de matriz cerámica con refuerzos de fibras en dos y tres dimen­siones (por ejemplo para componentes que deben soportar esfuerzos multiaxiales a elevadas temperaturas), con particular énfasis en la búsqueda de un método de fabricación económi­co y confiable [1-4]. Los métodos tradicionales de procesa­miento de cerámicos a partir de polvos carecen de la posibili­dad de controlar las heterogeneidades microestructurales y así, conseguir la uniformidad microestructural requerida para obtener materiales fiables y de comportamiento mecánico pre-decible. El problema se complica cuando se trata de fabricar materiales compuestos debido a la presencia de las fibras usa­das como refuerzos, que constituyen heterogeneidades micro-estructurales de por sí. En particular, los compuestos cerámi­cos con refuerzos bidimensionales o tridimensionales tienden a exhibir microestructura incontrolada y elevada porosidad resi­dual, aunque su ya demostrado mejor comportamiento mecá­nico, en relación a materiales reforzados con fibras unidirec­

cionales, (por ejemplo por la mejora de la resistencia mecánica frente a esfuerzos de corte [5]) tiende a compensar este proble­ma. Las complicaciones encontradas en el procesamiento de estos cerámicos compuestos se deben especialmente a que es extremadamente difícil conseguir una infiltración completa del material de la matriz dentro de las aberturas del elemento bi- o tridimensional utilizado como refuerzo (donde el diámetro de los mismos está en el orden de los 50 nm). Por consiguiente, se necesitan técnicas de procesamiento y de fabricación para este tipo de cerámicos compuestos que utilicen partículas cerámicas de tamaño nanométrico en forma no aglomerada como mate­riales de partida.

Un método nuevo y simple para conseguir la infiltración completa del tejido de refuerzo ha sido patentado reciente­mente [6]. El método se basa en la deposición electroforética de soles coloidales dentro de los intersticios de los tejidos de fibra que serán utilizados como refuerzo en los materiales compues­tos. Los primeros trabajos fueron realizados en un sistema modelo utilizando sílice como material matriz y como refuer­zos tejido de fibras de carburo de silicio [4,7]. Otros sistemas compuestos estudiados con posterioridad incluyen matrices de

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alumina reforzadas con tejidos de fibras de alumina [8] y matri­ces de mullita con refuerzo de fibras de carburo de silicio [9,10] y también de alumina [11]. La incorporación de tejidos metáli­cos bidimensionales como refuerzo de alúmina y sílice también ha sido considerada utilizando DEF [12]. Otros grupos han tra­bajado utilizando cerámicos no-óxidos como matriz, particu­larmente nitruro de silicio [13].

1.1 El proceso de deposición electroforética (DEF)

El proceso de DEF se basa en la presencia de pequeñas partí­culas cargadas dentro de una suspensión coloidal, las cuales, mediante la aplicación de un campo eléctrico, se mueven hacia un electrodo y se depositan sobre el mismo. El movimiento de las partículas se produce porque sus superficies están cargadas con respecto al medio en el cual se hallan suspendidas. El campo electroestático de la superficie cargada decae y es neutro a una determinada distancia de la partícula, dentro del seno del líqui­do. Cuando esta distancia es grande comparada con el radio de la partícula, si se la ubica dentro de un campo eléctrico, ésta se moverá con respecto al líquido circundante y se depositará en el ánodo o en el cátodo, dependiendo esto de su carga. Este fenó­meno es conocido como electroforésis y sus primeras observa­ciones datan de comienzos del siglo pasado [14]. En el área de los materiales cerámicos, la técnica de deposición electroforética es empleada especialmente en la obtención de recubrimientos y capas de espesores del orden de mieras [15-17].

En la figura 1 puede observarse un dibujo esquemático de una celda electroforética corriente. Si el electrodo de deposición se reemplaza por un tejido conductor de fibras, las partículas suspendidas serán atraídas dentro de la malla y se depositarán en el interior de la misma, consiguiendo así una infiltración completa [6]. Para el caso de necesitar infiltrar tejidos de fibras no-conductoras, por ejemplo fibras de mullita o de alumina, se ha desarrollado una modificación de la técnica [8,10]. El movi­miento de las partículas coloidales en suspensión acuosa, por efecto de la aplicación de un campo eléctrico externo, está regi­do por factores tales como la intensidad de campo eléctrico, el

pH de la suspensión y también por la estabilidad que presente la misma. A voltajes más altos de 2V de córlente continua, oxí­geno e hidrógeno gaseosos son despedidos del ánodo y del cátodo respectivamente, debido a la descomposición electrolíti­ca del medio acuoso durante el proceso. Durante la deposición electroforética, estas burbujas de gas pueden quedar atrapadas entre las partículas de sol que se están depositando, conducien­do esto a porosidad en el compacto final [8]. Por consiguiente el voltaje en la celda de DEF debe ser óptimo con objeto de obte­ner una máxima movilidad de la partícula y aún minimizar la evolución del gas en los electrodos.

En este trabajo se presentan nuevos resultados de la aplica­ción de la técnica de electroforésis para la fabricación de cerá­micos compuestos utilizando como refuerzos tejidos bidimen­sionales de fibras de carburo de silicio (Nicalon 607 C). MuUita y alumina son las matrices cerámicas consideradas. En este artículo sólo se describen los pasos a seguir para la formación de cuerpos «verdes» («prepregs») de alta cahdad, aptos para fabricar materiales compuestos tras un proceso de densifica­ción a altas temperaturas.

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1. Materiales

Como elemento de refuerzo bidimensional se ha utilizado un tejido de fibras de SiC que puede obtenerse comercialmente (Nicalon 607C, Nippon Carbon Company, Japan) y que es apropiado para ser usado como refuerzo en matrices cerámi­cas. Este tejido posee una película superficial de carbono resi­dual de aproximadamente lOOnm de espesor como resultado de su proceso de fabricación, que provee a la fibra de la con­ductividad eléctrica necesaria para que, durante el proceso de DEF, el tejido pueda utilizarse como electrodo de deposición. El tejido presenta un diseño plano bidimensional, con filamen­tos formados por múltiples fibras en las dos direcciones, como se muestra en la figura 2. Este tejido es el más ajustado de los disponibles, haciéndolo esto el más difícil de infiltrar.

¥ H

(+)

Tejido de fibras

Partículas

Fig. 1: Esquema de una celda de deposición electroforética (DEF) para la infiltración de tejidos de fibras utilizando soles con partículas cargadas positivamente. El tejido défibras a infiltrar hace las veces de electrodo negativo.

Fig. 2: Esquema de la arquitectura de un tejido de fibras plano como el utilizado en este trabajo (Nicalon 607 C). Este es el tejido disponible con menor abertura entre fibras [5].

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FABRICACIÓN DE MATERIALES CERÁMICOS COMPUESTOS CON REFUERZOS DE TEJIDOS DE FIBRAS DE CARBURO DE SILICIO USANDO DEPOSICIÓN ELECTROFORETICA

Sobre la base de estudios anteriores [9,18] los siguientes pre­cursores comerciales de alúmina y sílice fueron seleccionados para este trabajo:

i) Humo de sílice amorfa de forma esférica (Aerosil 0X50, Degussa Limited, United Kingdom). Aerosil 0X50 posee una distribución de tamaño de partículas amplia (10-100 nm) con un tamaño promedio de partícula de 40 nm. El pH varía, en suspensión acuosa al 4%, entre 3,8 y 4,8.

ii) Sol de bohemita (y-AlOOH), (Remal A20, Remet Corporation, United States), conteniendo 20% en peso de sóli­do. Las partículas de bohemita tienen un tamaño medio de par­tícula de 50nm y morfología fribilar. El pH de la suspensión, como se recibe de fábrica, es de 4.

iii) Humo de óxido de aluminio en el estado cristalino correspondiente a la fase Ô (ô-alumina) (Aluminium Oxide C, Degussa Limited, United Kingdom). Es un polvo disperso constituido por partículas esféricas de un tamaño medio de 13 nm.

iv) Suspensión acuosa de humo de sílice y alúmina, este últi­mo en concentración de ~ 1 % (Aerosil K342, Degussa Limited, United Kingdom), conteniendo 420g de sólido por lOOOcm^ V un pH que varia entre 4 y 6. El tamaño medio de partículas en la suspensión es de 30 nm.

Soles de sílice estabilizados con NaOH, usualmente utiliza­dos para obtener mullita por procesos coloidales [19,20], no fueron seleccionados aquí debido a que tienden a la formación de cristobalita a temperaturas relativamente bajas, lo cual afec­ta negativamente a la densificación de la matriz de mullita por flujo viscoso [19-21]. La fácil disponibilidad, el bajo costo y con­sideraciones de protección del medio ambiente fueron otros factores tenidos en cuenta durante la selección. En base a esto último, compuestos organometálicos no fueron considerados.

2.2 Procesamiento coloidal

a) Matriz de mullita En la figura 3 se observa un diagrama esquemático comple­

to indicando las distintas etapas de procesamiento para obte­ner materiales compuestos con matriz de mullita y con refuer­zo de tejidos de fibras de SiC (Nicalon), de acuerdo a la pre­sente técnica. En este artículo sólo nos concentraremos en los pasos de fabricación de los cuerpos «verdes» («prepregs»), es decir el procesamiento previo al proceso de densificación a altas temperaturas.

Dos soles con la composición de mullita estequiométrica (72% en peso de alúmina, 28% en peso de sílice) fueron prepa­rados: Sol A a partir de la sílice amorfa y de la solución de boehmita y Sol B a partir de la suspensión de sílice-alúmina y del polvo de o-alúmina.

Para preparar el Sol A el polvo de sílice fue agregado lenta­mente a la suspensión de bohemita mientras ésta se agitaba magnéticamente. El agitado magnético del sol de dos compo­nentes así obtenido se mantuvo durante 12 hs. El pH de la sus­pensión permaneció sin variar mayormente en aproximada­mente 4,4.

Para preparar el sol B, el polvo de ô-alumina se agregó a la suspensión de alúmina-sílice mientras ésta era agitada magné­ticamente. Debido a la tendencia a gelar de esta suspensión el pH debió ajustarse a un valor ~ 3.6 agregando gotas de disolu­ción concentrada de HCl.

La morfología de las partículas de sílice y alúmina (bohemi­ta) y su arreglo espacial relativo dentro de los soles así prepa-

Tejído de fibras SiC Nicalon 607 Cl

pumo de sílicel Aerosil OX 50

Y-AIOOH Sol Rema! A 20

Sol de dos componentes (comp.: mulita) pH«4.4

L Agitado, 12 hs.

-\ Desgasado en vacfo, 5 Min |

] [ Secado, 80°C

DEF,4Volt. 1Min

ISecado a temp, ambiente en atmósfera húmeda

Molido, Tamizado d < 63 um

Suspensión (44% Polvo, 2.5 % Oxido de Polyethíleno)

Impregnación de tejidos infiltrados por DEF por inmersión en la suspensión ("Prepregs")

Preparación de cuerpos "verdes": apllamlento de 5 "prepregs" Impregnados

Secado a temperatura ambiente en atmósfera húmeda

Sinterizado « 1200 • 1300 ''C ("Prensado en caliente")

Material Cerámico de matriz de mulita con| refuerzo de tejido de fibras de SiC

Fig. 3: Diagrama indicando los pasos para el procesamiento de materiales cerámicos com­puestos de matriz mullítica y refuerzo de tejidos de fibras de carburo de silicio (Nicalon) empleando DEF.

rados, como así también el grado de mezclado y homogenei­dad de los mismos fueron investigados por medio de un microscopio electrónico de transmisión (MET). Estos factores son críticos tanto para mantener la composición de mullita estequiométrica en el material depositado durante DEF como para garantizar la formación de mulhta densa a relativamente bajas temperaturas (~ 1300-C) durante el consolidado de los compuestos, como se discutirá más abajo.

b) Matriz de alúmina Para estudiar la posibilidad de fabricar cerámicos compues­

tos de matriz de alúmina por DEF se utilizó la suspensión de bohemita tal como fue recibida del fabricante y los mismos teji­dos de SiC (Nicalon).

2.3. Deposición electroforética

Para el proceso de infiltración por DEF, los tejidos de fibras fueron cortados en cuadrados de 50 mm por 50 mm, ubicados en las distintas suspensiones coloidales y luego desgasados en vacío. Se apHcó luego una diferencia de potencial de 4V (c. con­tinua) entre los electrodos de una celda de DEF (ver Figura 1). Este valor de diferencia de potencial fue determinado como ser el óptimo en trabajos con soles similares en estudios anteriores [18] y por lo tanto fue empleado aquí. En la celda de DEF, el tejido de fibras hizo las veces de electrodo de deposición nega­tivo y una placa de acero inoxidable actuó como electrodo posi­tivo. El tiempo de deposición fue variado entre 1 y 10 minutos con objeto de encontrar el tiempo óptimo para producir la infil­tración completa del sol dentro de los espacios del tejido y para obtener también el espesor deseado de película depositada.

El control del secado de los tejidos impregnados es un factor clave para la obtención de «prepregs» de buena calidad, es

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decir de alta densidad relativa y sin agrietamientos. En base a resultados de estudios anteriores [10,18], todos los tejidos impregnados fueron secados en aire en atmósfera húmeda (SO­CO % de humedad relativa).

2.4. Caracterización post-DEF

Los tejidos de fibras ya impregnados y secados fueron mon­tados en resina y sometidos a pulidos hasta Ijim para su obser­vación con microscopio electrónico de barrido (MEB). Los depósitos también fueron analizados por medio de Energías dispersas de rayos X (EDX). Algunos tejidos infiltrados por el sol A fueron además sometidos a tratamiento térmico por espacio de 5 horas a una temperatura de 1300-C. Debido al tipo de precursores de sílice y alúmina empleado, a esta tempera­tura la reacción de los mismos debe dar lugar a la formación de mullita como matriz, de acuerdo a estudios anteriores [22] . Se extrajo material de las zonas interiores del tejido y también de la película depositada exteriormente y previo pulverizado se examinó el polvo con un difractómetro de rayos X. El objeto de este análisis fue confirmar que el material depositado electro-foréticamente había mantenido la composición de mullita del sol original.

2.5. Fabricación de «prepregs» aptos para la obtención de cerámicos compuestos

Los tejidos infiltrados por deposición electroforética fueron sumergidos en una pasta acuosa conteniendo 45% en peso de polvo del cerámico correspondiente (alúmina o alúmina-sílice mezclado en la composición mulítica) y 3% en peso de óxido de polietileno, usado como aglomerante. Este tratamiento es nece­sario para obtener la fracción volumétrica de refuerzo deseada y para eliminar la naturaleza no uniforme de la deposición (por DEF), causada por el tipo de tejido usado (ver Figura 2). El polvo para la pasta fue obtenido de la siguiente manera (ver figura 3): después de agitar magnéticamente el sol correspon­diente por espacio de 12 hs, éste fue secado lentamente a apro­ximadamente 80 -C, posteriormente los geles secos fueron molidos usando un mortero y luego tamizados para obtener un polvo con un tamaño medio de partícula menor de 63 pm. Luego se prepararon compactos «verdes» en forma laminar usando 5 tejidos, los cuales fueron apilados y posteriormente dejados secar entre dos placas de vidrio en atmósfera húmeda. Esta disposición resultaría en una fracción volumétrica de refuerzo de -30%.

Fig. 4: Microfotografías de microscopio electrónico de transmisión (MET) de los soles de composición mulítica investigados mostrando un mezclado homogéneo de partículas: a) Sol A indicando la presencia de las partículas de bohemita (morfología fibrilar) y sílice (esféricas) y b) Sol B, mostrando que todas las partículas presente tienen forma esférica.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las figuras 4-a) y b) son micrografías de MET de los soles de composición mullítica A y B, respectivamente. En el sol A se observan claramente las partículas de bohemita (morfología fibrilar) y las partículas de sílice (esféricas), las cuales se encuen­tran mezcladas intimamente en una escala nanométrica. En el sol B no es posible distinguir entre las partículas de alúmina y sílice ya que ambas tienen forma esférica. De todas formas un alto grado de mezclado es evidente. La disposición espacial relativa que presentan las partículas de alúmina y sílice dentro de los soles y el grado de mezclado y homogeneidad de los mis­mos, son factores críticos para la aplicación con éxito de esta téc­

nica de fabricación. Por un lado, un buen mezclado de las par­tículas con predominio de contactos alúmina-sílice sobre alúmi­na-alúmina o sílice-síHce es importante para mantener la com­posición estequiométrica de mullita en el material depositado durante DEF. Además, un mezclado homogéneo y la elimina­ción de aglomerados de partículas de la misma especie permite garantizar la formación de mullita densa a relativamente bajas temperaturas (~ 1300-C), sin la formación de fases cristalinas intermedias, que pueden retardar la densificación [19].

En la figura 5-a) y b) pueden observarse micrografías de MEB de tejidos de fibras infiltrados usando los soles A y B res­pectivamente. Las micrografías demuestran que la técnica de DEF es capaz de producir un alto nivel de infiltración de la

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FABRICACIÓN DE MATERIALES CERÁMICOS COMPUESTOS CON REFUERZOS DE TEJIDOS DE FIBRAS DE CARBURO DE SILICIO USANDO DEPOSICIÓN ELECTROFORETICA

Fig. 5: Microfotografías de microscopio electrónico de barrido (MEB) de los tejidos de fibras de carburo de silicio (Nicalon) infiltrados por DEF durante 1 min con a) sol Ayb) sol B idilizando una diferencia de potencial de 4V. Los espacios entre las fibras muestran un alto contenido de material sólido indicando la buena calidad de infiltración alcanzada.

Fig. 6: Micrografía de microscopio electrónico de barrido (MEB) de un tejido de fibras de carburo de silicio (Nicalon) infiltrado por DEF durante 1 min con sol de boehmita utili­zando una diferencia de potencial de 4V. Los espacios entre las fibras, que aparecen de color gris claro en la micrografía, muestran un alto contenido de material sólido indi­cando la buena calidad de infiltración alcanzada.

matriz dentro de los espacios abiertos del tejido de SiC (Nicalon) usado como refuerzo. Se ha sugerido en trabajos anteriores [4,9] que usando tejidos conductores del tipo Nicalon como electrodos de deposición y voltajes de corriente continua relativamente bajos (aproximadamente 4V) se acre­

cienta el proceso de infiltración por la apertura de los espacios entre las fibras debido a la repulsión mutua de las fibras con­duciendo cargas del mismo signo. Debido al pequeño tamaño de las partículas de sílice y alúmina (bohemita) utilizadas, ambos componentes son capaces de infiltrar los espacios entre las fibras. Con esto se consigue una alta densidad de partículas y un elevado contenido de material sólido en los intersticios, produciendo un depósito firme de matriz adherido a las fibras. En acuerdo con resultados anteriores [4,7-9], el uso de un bajo voltaje en la celda de DEF minimizó la descomposición elec­trolítica y consecuentemente la evolución de gas en los electro­dos. De ese modo se pudo minimizar la inducción de porosi­dad residual no deseada.

La figura 6 es una microfotografía de MEB de un tejido de fibras infiltrado con la solución de bohemita, apto para la pos­terior fabricación de un material compuesto con matriz de alú­mina. Nuevamente se observa un alto contenido de sólido depositado en los espacios entre las fibras y las mismas consi­deraciones realizadas para los soles de composición mulítica son aplicables.

En general, la utilización de DEF para infiltrar tejidos de fibras presenta más complicaciones cuando se utilizan soles de dos componentes en comparación con soles monofásicos. Si bien un estudio más detallado sobre la cahdad de la infiltración comparando los soles A y B (utilizando microscopía electrónica de barrido de alta resolución y MET) es el objeto de trabajos actuales en marcha, algunas consideraciones generales referi­das a la DEF de soles de más de un componente pueden ayudar a comprender las dificultades encontradas. El requerimiento más importante a verificar durante DEF de un sol mixto es que ambas especies (alúmina y sílice) se muevan hacia el mismo electrodo en la celda de DEF. Con este objeto, las curvas de potencial z frente a pH para el caso de partículas de alúmina y sílice deben tenerse en cuenta para determinar el pH correcto del sol mixto. Estas curvas se muestran en la figura 7, de acuer­do a como fueron presentadas por Ruling y Messing [23]. Se observa que con un pH comprendido entre aproximadamente 2 y 9, ambas especies estarán cargadas opuestamente, y por con­siguiente, existirá una gran atracción electroestática entre las partículas de alúmina (bohemita) cargadas positivamente y las partículas de sílice cargadas negativamente. En este rango de pH se espera que la atracción electroestática conduzca a la hete-rocoagulación y al máximo apareamiento de partículas de dife­rente especie. Se ha encontrado que el pH óptimo para produ­cir dicho apareamiento debe estar dentro del rango de 3 a 5 [22-24]. Las microfotografías de los soles mixtos A y B, figuras 4-a) y b), respectivamente, confirman el alto grado de homogenei­dad del mezclado de las partículas de sílice y alúmina logrado. Análisis puntuales semicuantitativos por EDX de las regiones de la matriz entre las fibras de los tejidos infiltrados mostraron la presencia de aluminio y silicio, confirmando entonces que ambas especies presentes en el sol han migrado hacia los tejidos de fibras. Este resultado parece sugerir que trabajar con un pH próximo a 4 ha conducido en estos soles a la formación de par­tículas «compuestas», es decir partículas de sílice adheridas a partículas de alúmina (bohemita), que sin embargo están, en conjunto, cargadas positivamente, ya que migraron hacia el electrodo negativo (tejido de fibras) en la celda de DEF. Un aná­lisis más profundo de la cinética de los procesos que ocurren en la celda de DEF está fuera del objetivo de este artículo y son el objeto de otros trabajos [11].

El análisis por difracción de rayos X del material depositado dentro y sobre el tejido de fibras, utilizando el sol A, tras un tra-

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PH Fig. 7: Curvas de potencial z frente a pH para soluciones coloidales de sílice y alúmina, según Huling y Messing [23].

tamiento térmico a 1300 -C por 5 horas, indica la presencia de mullita como fase cristalina más importante, como puede apre­ciarse en la figura 8. Sin embargo una fase vitrea residual de sílice o aluminosilicato puede aún permanecer, como sugiere el halo de fondo en el espectro mostrado. De todos modos, este resultado preliminar es de gran importancia porque demuestra la aplicabilidad de la técnica de DEF para fabricar cerámicos compuestos con matrices oxidas de dos componentes, en este caso mullita, los cuales son potencialmente más útiles que matrices monofásicas debido a que tienen en general más alta resistencia mecánica a elevadas temperaturas, como así tam­bién poseen mayor resistencia al creep. En este contexto, otros trabajos actuales en nuestro grupo se concentran en el estudio de la DEF en el sistema dual Y2O3-SÍO2 [25].

Como en todos los métodos de preparación por sol-gel, tam­bién en esta experiencia se produjeron grietas del gel, o sea de la película depositada por DEF, durante el secado. Esto se debe a la contracción diferencial en el gel por las distintas velocida­des de evaporación del líquido, lo cual genera tensiones en la superficie que agigantan las grietas microscópicas presentes [26]. Las tensiones se ven aumentadas además porque el inte­rior del gel está constreñido por el contacto con el tejido de fibras. Éste no permite la contracción completa del gel, aumen­tando, por consiguiente, el estado de tensiones internas y el consiguiente agrietamiento. El tamaño y la morfología de las grietas dependen en general del espesor del gel secado [26]. Películas delgadas (espesores menores de ~l}im) pueden secar­se sin producir agrietamientos porque las tensiones generadas en la contracción son demasiado pequeñas como para ocasio­nar el crecimiento de las grietas microscópicas. Por consiguien­te, la selección del método apropiado de secado y el espesor de

^ M = Muílite

26 (Cu Ka)

Fig. 8: Espectro de difracción de rayos X de material depositado por DEF sobre el tejido de fibras Nicalon (empleando el sol de composicieon mulítica A) tras ser sometido a un tratamiento térmico por 5 horas a 1300»C. Se observa que la fase cristalina predominate es mullita.

película depositado son factores críticos en la preparación de tejidos infiltrados de alta calidad, o sea libres de grietas macroscópicas. La figura 9 muestra dos tejidos de fibras infil­trados con tiempos de deposición de 1 y 8 minutos. Ambas muestras fueron secadas en atmósfera húmeda. Esta figura demuestra que al aumentar el tiempo de DEF el espesor de la película depositada aumenta, como así también el tamaño y el número de grietas generadas durante el secado. El tiennpo de deposición no afecta a la calidad de la impregnación en el inte­rior de la malla de fibras [7-9], por consiguiente, se debe prefe­rir el tiempo más bajo de DEF, que en este caso es de 1 minuto. Si bien la formación de grietas no puede eliminarse totalmente, es de esperar que las grietas originadas en películas delgadas sean lo suficientemente angostas como para poder ser cerradas posteriormente durante la consolidación del compuesto por prensado en caliente. Esto es así porque el material está en estado amorfo o débilmente cristalino permitiendo la densifi­cación por el mecanismo de flujo viscoso a altas temperaturas. El estudio de la densificación por prensado en caliente de los compactos «verdes» fabricados en este trabajo es el objeto de actividades actuales de investigación en nuestro laboratorio [27]. En base a estudios preliminares para el caso de mullita [22], se espera que la densificación completa de la matriz pueda producirse por medio del sinterizado de flujo viscoso a -1200 °C, seguido por un tratamiento térmico corto para la muUitiza-ción a alrededor de los 1300 °C. En el caso de la matriz alumi­na obtenida a partir de bohemita, se esperan temperaturas similares para la densificación y conversión a a-alumina, de acuerdo a la amplia literatura disponible sobre este material [28,29]. El mantenimiento de una relativamente baja tempera­tura de procesado es muy importante para evitar, o al menos disminuir, el riesgo de degradar las fibras de SiC (Nicalon) empleadas.

4. CONCLUSIONES

La nueva técnica de procesamiento utilizada en el presente artículo en base a la infiltración de soles coloidales dentro y sobre tejidos de fibras usando electroforesis, abre el camino para el desarrollo de materiales cerámicos compuestos con refuerzos en 2 o en 3 dimensiones y con matrices oxidas de 2 o

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FABRICACIÓN DE MATERIALES CERÁMICOS COMPUESTOS CON REFUERZOS DE TE)IDOS DE FIBRAS DE CARBURO DE SILICIO USANDO DEPOSICIÓN ELECTROFORETICA

30 inni

Fig. 9: Fotografías después del secado de tejidos de fibras de carburo de silicio (Nicalon) impregnados por DEF utilizando una diferencia de potencial de 4V y diferentes tiempos de deposición: 1 minuto (tejido de la izquierda) y 8 minutos (tejido de la derecha). Se observa que el aumento del tiempo de deposición produce un aumento del espesor de la película cerámica depositada, lo que origina grietas más numerosas y más grandes duran­te el secado.

más componentes. En el caso particular de matriz de mullita, el mezclado coloidal controlado de las partículas de sol de sílice y alúmina conduce a una heterocoagulación extensa de éstas en escala nanométrica, permitiendo esto que ambas especies de sol migren hacia el tejido de fibras que actúa como electrodo en la celda de DEF.

El tejido plano seleccionado de fibras Nicalon, que es el teji­do más compacto existente, pudo ser infiltrado completamen­te con los dos soles de composición mulítica y el sol de bohe-mita considerados. Esto implica, por consiguiente, que la técni­ca de DEF debería resultar exitosa también cuando se infiltre otras mallas de fibras menos ajustadas. Ya que el material de la matriz está en un estado amorfo o pseudo-amorfo, se espera que la densificación de los compactos, tanto de matriz mullita como alumina, pueda realizarse a temperaturas -1200 °C utili­zando la técnica estandard de prensado en caliente, siendo esto el foco de actuales trabajos de investigación.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a los Profesores J. F. Knott y M. H. Loreto por permitir el uso de los laboratorios en la School of Metallurgy and Materials, The University of Birmingham y el IRC in Materials for High Perfomance Applications, respectivamente. Discusiones con el Dr. P. A. Trusty son apreciadas del mismo modo que la asistencia experimental del Dr. I. McLaren en la investigación de MET. D. N. Boccaccini agradece a la Secretaría de Relaciones Internacionales de la Universidad Tecnológica Nacional, Buenos Aires, Argentina, por el otorgamiento de una beca de estudios. •

5. REFERENCIAS

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Recibido: 20-2-96 Aceptado: 25-5-96.

Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. Vol. 35 Num. 4 Julio-Agosto 1996 263

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Nueva Junta Directiva de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio

La Sociedad Española de Cerámica y Vidrio ha procedido a la renovación estatutaria de su Junta Directiva tras las elecciones celebradas el pasado día 26 de abril de 1996.

De acuerdo con los resultados la nueva Junta Directiva queda constituida de la siguiente manera:

PRESIDENTE:

VICEPRESIDENTES:

SECRETARIO GENERAL:

VICESECRETARIO-GERENTE:

MIGUEL ANGEL DELGADO MÉNDEZ (MINCER ASOCIADOS)

RAFAEL DE RAMON GARCIA (CRISTALERÍA ESPAÑOLA, S.A.)

JORGE BAKALI BAKALI (ESMALTES, SA)

EMILIO CRIADO HERRERO (INSTITUTO DE CERÁMICA Y VIDRIO)

FRANCISCO CAPEL DEL ÁGUILA

(INSTITUTO DE CERÁMICA Y VIDRIO)

• SECCIÓN DE ARTE Y DISEÑO

PRESIDENTE: MARGARITA BECERRIL ROCA (ESC.MADRILEÑA DE CERÁMICA DE LA MONCLOA) VICEPRESIDENTE: MARIBEL GARCIA VARGAS (ESC.MADRILEÑA DE CERÁMICA DE LA MONCLOA) SECRETARIO: JAIME COLL CONESA (MUSEO NACIONAL DE CERÁMICA «GONZALEZ MARTI»)

• SECCIÓN DE CERÁMICA BLANCA Y REVESTIMIENTOS CERÁMICOS

PRESIDENTE: M'̂ DOLORES LLANES (ROCERSA) VICEPRESIDENTE: PURIFICACIÓN ESCRIBANO (UNIVERSIDAD JAUME I DE CASTELLÓN) SECRETARIO: FRANCISCO CORMA CANOS (QPT CONSULTING)

• SECCIÓN DE CIENCIA BÁSICA

PRESIDENTE: ANGEL CABALLERO CUESTA (INSTITUTO DE CERÁMICA Y VIDRIO) VICEPRESIDENTE: JOSE EMILIO ENRIQUE NAVARRO (UNIVERSIDAD JAUME L AICE) SECRETARIO: JOSE FRANCISCO FERNANDEZ LOZANO (INSTITUTO DE CERÁMICA Y VIDRIO)

• SECCIÓN DE ESMALTES Y PIGMENTOS CERÁMICOS

PRESIDENTE: ADOLFO CAMPOY GARCIA (FERRO ENAMEL ESPAÑOLA) VICEPRESIDENTE: GUILLERMO MONROS TOMAS (UNIVERSIDAD JAUME I DE CASTELLÓN) SECRETARIO: JUAN CARDA CASTELLO (UNIVERSIDAD JAUME I DE CASTELLÓN)

• SECCIÓN DE LADRILLOS Y TEJAS

PRESIDENTE: FERNANDO PALAU CASEÑE (PALAU-CERAMICA DE CHILOECHES) VICEPRESIDENTE: LEOPOLDO ARCHE PEREZ-VENERO (CERÁMICAS COVADONGA) SECRETARIO: FRANCISCO MORALES POYATO (INSTITUTO DE CERÁMICA Y VIDRIO)

• SECCIÓN DE MATERIAS PRIMAS

PRESIDENTE: VICENTE VARONA FERNANDEZ (G.M.A.) VICEPRESIDENTE: ANGEL CACERES JIMENEZ (MINCER ASOCIADOS) SECRETARIO: FLORA BARBA MARTIN-SONSECA (INSTITUTO DE CERÁMICA Y VIDRIO)

• SECCIÓN DE REFRACTARIOS

PRESIDENTE: JUAN JOSE PEREZ GALLEGO (NORTON IBÉRICA, C.I.,SA) VICEPRESIDENTE: HUMBERTO LOMBA SANCHEZ (JOSE A. LOMBA CAMINA) SECRETARIO: CARMEN BAUDIN DE LA LASTRA (INSTITUTO DE CERÁMICA Y VIDRIO)

• SECCIÓN DE VIDRIOS

PRESIDENTE: JOSE ANTONIO COTO MUÑIZ (CRISTALERÍA ESPAÑOLA, S.A.) VICEPRESIDENTE: JUAN MANUEL MARTIN CANO (ANFEVI) SECRETARIO: ALICIA DURAN CARRERA (INSTITUTO DE CERÁMICA Y VIDRIO)

Desde estas páginas queremos expresar nuestro agradecimiento a todas aquellas personas que han cesado en sus cargos así como desear los mayores éxitos a los que asumen por primera vez responsabilidades en el seno de la Sociedad.