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En busca de aleaciones innovadoras para aplicaciones aeroespaciales

Diez investigadores de la UBU y el Iccram participan en el proyecto europeo Icarus cuyo objetivo es diseñar y estudiar nuevos materiales destinados a las industrias aeroespacial y aeronaútica

V. MARTÍN
28/10/2018

 

Desde hace algo más de dos años, la Universidad de Burgos en coordinación con el Centro Internacional de Investigación en Materias Primas Críticas (Iccram), se encuentra inmersa en el proyecto europeo Icarus. Incluido en el programa Horizonte 2020, se trata de un proyecto de vanguardia que revolucionará la tecnología de aleaciones destinada a aplicaciones en las industrias aeroespacial y aeronáutica y en el que participan 7 países y 11 entidades europeas. «El objetivo es diseñar y estudiar nuevos materiales fabricados a base de aleaciones nanoestructuradas», explica Nicolás Cordero, profesor titular del Departamento de Física de la UBU y el investigador principal de este proyecto, en el que en Burgos trabajan diez personas.

Para el diseño de estos materiales existen diversas rutas, «todo depende de las propiedades que se quieran conseguir y de qué aplicaciones futuras tendrán». En el caso concreto de Icarus, la meta es conseguir materiales que «sean interesantes para aviones, satélites o cohetes» por eso, «nuestra labor es crear aleaciones ligeras y resistentes, pero también que soporten grandes variaciones de temperatura en poco tiempo y de forma cíclica».

Cordero señala que uno de los principales retos de este proyecto reside en la gran cantidad de aleaciones que pueden desarrollarse. «Aunque las aleaciones de metales se hacen desde hace miles de años y se han encontrado algunas con propiedades tremendamente interesantes, la pregunta es si se puede ir más allá». De hecho, hace quince años, la comunidad científica comenzó a preguntarse si «en lugar de trabajar con aleaciones macroscópicas- grandes bloques de dos o más metales- se podían conseguir materiales nanoestructurados».

La respuesta es sí y ese es el objetivo del proyecto Icarus. Sin embargo, los materiales nanoestrucutrados no soportan temperaturas elevadas, en el momento en que se calientan un poco pierden sus propiedades. «Estos materiales de estructura nanométrica están compuestos por ‘granos’ muy pequeños, y el calor produce que esos granos se peguen unos a otros y creen un sólido macroscópico, perdiendo sus propiedades», comenta.

Una de las labores de Icarus es trabajar para que esas estructuras nanométricas estén protegidas y que, una vez entren en contacto con las altas temperaturas, no se ‘fundan’ creando bloques más grandes y perdiendo sus cualidades. Así las cosas, «se trata de conseguir pequeñas nanoestructuras de un metal concreto rodeadas por otro metal, de tal forma que aunque se calienten no tiendan a transformarse en un solo bloque».

Para lograr este ‘revestimiento’, Cordero apunta que en el proyecto se trabaja a través de dos fórmulas. La primera de ellas es la molienda de bolas. «En un recipiente en el que hay dentro una bolas de un material muy duro se introduce el material del que se quieren conseguir las nanoestructuras y se tiene moliendo durante horas para lograr que se haga un polvo muy fino», explica. Al polvo «se añade el segundo material, si se quiere hacer una aleación, para que recubra las estructuras» y el último paso sería «compactar el polvo para formar una pieza que luego pueda usarse en diferentes ámbitos». Para compactar el material existen diversos métodos, entre ellos el sintetizado, que «consiste en calentar el polvo y someterlo a mucha presión».

La segunda fórmula para conseguir el revestimiento de las nanoestructuras consiste en la deposición de capas. «En lugar de hacer estructuras muy pequeñas el objetivo es hacer capas muy finas», explica Cordero, «se va poniendo una capa de un material y encima, otra capa de otro material- podría asemejarse a la forma de crear de las impresoras 3D- y en unas condiciones determinadas para que esas dos capas sean extraordinariamente finas pero con rugosidad».

El uso de una u otra metodología dependerá siempre «del material o materiales con los que se trabaje y de la aplicación que se le quiera dar», apunta el investigador.

En este proceso una de las principales dificultades a las que se tenían que enfrentar los investigadores tiene que ver con la gran cantidad de combinaciones de metales que se pueden mezclar y de porcentajes de combinación. Los procesos de molienda y de deposición de capas suponen muchas horas de trabajo y hacer las piezas, semanas. «El proyector tiene tres años de duración y eso sería inabordable», explica Cordero.

Lo innovador del proyecto Icarus es que previamente a la creación de materiales «se ha hecho un análisis de simulación computacional». Hasta el momento existían dos métodos- uno basado en mecánica estadística y otro en termodinámica- que permitían estudiar las propiedades de los materiales nanoestructurado, pero «el problemas es que, en algunas ocasiones, los dos métodos no coincidían en el resultado y a veces podía salir que un material era estable a una determinada temperatura en uno de los métodos, pero en el otro, no».

El análisis de simulación computacional ha revelado que ambos métodos hacen la misma aproximación desde dos puntos de vista distintos». El programa reproduce los resultados de las dos aproximaciones «cambiando determinados parámetros». Para saber qué parámetros se deben introducir se han hecho experimentos y simulaciones de ordenador sencillas que «nos permiten saber cómo son los bordes de grano, información crucial para que los granos no se fundan».

El resultado de este proceso son 9 posibles candidatos. «Cuatro de los materiales ya se encuentran en proceso de medidas y caracterización y los cinco restantes se han sintetizado pero no se han caracterizado a alta temperatura».

Así las cosas, una vez se consigue una aleación prometedora se sintetiza y, por último, se caracteriza. Precisamente ese tercer paso se está empezando a desarrollar en este tercer año de proyecto en países como Italia y supone «someter a las aleaciones a grandes temperaturas y observar sus propiedades mecánicas», lo que permitirá saber « si verdaderamente son materiales útiles para la industria aeroespacial».

Las caracterizaciones también «nos permiten saber si el modelo de simulación que hemos implementado es válido y nos da la posibilidad de mejorarlo», además de «obtener materiales y técnicas de fabricación que se pondrán al servicios de la industria aerospacial».

Seguridad

Una de las investigaciones que se va a desarrollar en Burgos se centrará en la seguridad biológica de los materiales nanoestructurados. «No sabemos si estas aleaciones serán seguras o no para el ser humano», comenta Cordero, quien explica que «no es una cuestión de composición química sino de estructuras».

En concreto será el Iccram el que se encargue de determinar cuál debe ser la seguridad en los seres vivos. «Para ello, recibiremos muestras de los materiales, que se someterán a una serie de pruebas- cultivos biológicos- y los resultados determinarán cómo debemos actuar con ese material». Y es que, puede ocurrir que un material en pieza sólida no tenga peligro pero sí en forma de polvo «por lo que habría que implementar medidas de seguridad en el momento de la fabricación». Esta fase se desarrollará a lo largo de este tercer año de proyecto.

El proyecto puede consultarse en http://icarus-alloys.eu/.

 

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